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Entstehung von APs

Entstehung von APs. Neuronen, Modelle, Anwendungen Florian Kaiser. Überblick. Nervenzellen in der Natur Gepulste Neuronen Hodgkin-Huxley Leaky Integrate & Fire Spike Response Model Anwendungen Beuteortung eines Wüstenskorpions Richtungshören der Schleiereule Liquid-State-Machine.

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Presentation Transcript

  1. Entstehung von APs Neuronen, Modelle, Anwendungen Florian Kaiser

  2. Überblick • Nervenzellen in der Natur • Gepulste Neuronen • Hodgkin-Huxley • Leaky Integrate & Fire • Spike Response Model • Anwendungen • Beuteortung eines Wüstenskorpions • Richtungshören der Schleiereule • Liquid-State-Machine

  3. Biologische NeuronenGrober Aufbau • Informationsaustausch über elektrische Pulse • Funktionale Einteilung • Dendriten (Eingabe) • Soma (Verarbeitung) • Axon (Ausgabe)

  4. Biologische Neuronen Zellmembran Kanalprotein Ionenpumpe • Ionenpumpen und Transportkanäle transportieren Ionen durch die Membran • Transportkanäle werden abhängig vom Typ gesteuert durch • Liganden (chemische Botenstoffe) • Elektrische Spannungen • Mechanische Einflüsse Phospholipid-Molekül Äußeres Milieu Na+ K+ Na+ K+ Na+ Inneres Milieu

  5. Biologische Neuronen Transportprozesse an der Zellmembran Äußeres Milieu Na+ K+ Na+ K+ Na+ Inneres Milieu Na+ Cl- Na+ Na+ Cl- K+ Na+ Cl- • Aktiver Transport • Ionenpumpen • Huckepack mit passiven Transporten • Passiver Transport • Semi-permeabilität durch Kanäle • Diffusion K+ Cl- Na+ K+ K+ K+ K+ Na+ • Treibende Kraft für passiven Transport • Elektrischer Gradient durch Ladungsungleichgewicht • Chemischer Gradient durch Konzentrationsgefälle

  6. Biologische Neuronen Ionenkonzentrationen und Ruhemembranpotential Na+ Cl- Na+ Na+ Cl- K+ Na+ Äußeres Milieu Cl- Inneres Milieu Weitere beteiligte Ionenarten: Ca2+, HCO3-, H+, Anionische Proteine K+ Cl- Na+ K+ K+ K+ K+ Na+ • Gesamtpotential ergibt sich durch • Ionenspezifische Leitfähigkeit der Membran • Konzentrationsunterschied der Ionen zwischen Zellinnerem und -äußerem • Gleichgewichtspotential für Membran heißt Ruhemembranpotential • -70 mV in Neuronen • -90 mV in Herz- und Skelettmuskulatur

  7. Biologische Neuronen Aktionspotential • Bei Spannungsanstieg • Öffnen von Na+-Kanälen • Ab Schwellen-Spannung Lawineneffekt • Na+ kann einströmen  Depolarisation • Na+-Kanäle schließen schnell wieder (vor Spannungsmaximum)  Repolarisation • Na+-Kanäle sind eine zeitlang deaktiviert  Refraktäre Phase • Verzögert öffnen sich K+-Kanäle  Verstärkung der Repolarisierung • Öffnung der K+-Kanäle hält länger an  Hyperpolarisation

  8. Biologische Neuronen Weiterleitung des Aktionspotential +20 Aktionspotential 0 -20 -40 Ruhepotential -60 -80 Hyperpolarisation Na+ + + + + + + - - - + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - + + + K+ - - - - - - - - - - - - - - - - + + + - - - + + + + + + + + + + + + Na+ • Leitungsgeschwindigkeit hängt ab von • Schwann‘sche Zellen mit Einschnürungen  sprunghafte Weiterleitung • Dicke des Axons  geringerer Widerstand • Geschwindigkeiten zwischen 1 m/s („langsamer Schmerz“) und 90 m/s (Ansteuerung der Muskelspindeln)

  9. Biologische NeuronenChemische Synapsen • Aktionspotential initiiert Ca2+-Einstrom • Ca2+-Ionen lösen Neurotransmitter-Ausschüttung aus • Neurotransmitter öffnen an Dendriten Ionenkanäle • Einfliessende Ionen ändern Membranpotential  Post-Synaptisches Potential (PSP) • Stärke (Gewicht) der Synapse = Stärke des Post-Synaptischen Potentials • Abhängig von der Anzahl chemisch-sensibler Ionenkanäle Prä-synaptisch Post-synaptisch

  10. Hodgkin-Huxley ModellEinführung • 1952 von Alan L. Hodgkin und Andrew F. Huxley • Untersuchung am Riesenaxon des Tintenfisches • 1963 Nobelpreis für Medizin • 2006 Neue Theorie liefert genauere Vorhersagen • Betrachtung von drei Ionenströmen • Na+ (spannungs- und zeitabhängig) • K+ (spannungs- und zeitabhängig) • Leckstrom (konstant)

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