Was ist der Unterschied zwischen einem aktiven und einem passiven Zellmodell?
passives Zellmodell (single-compartment model)
Die Nervenzelle als elektronisches Bauelement: Passive Eigenschaften der Lipidmembran – Batterie, Kapazität und Widerstand
aktives Zellmodell (single-compartment model)
Aktive Eigenschaften im Zellmodell – Aktionspotentialgenerierung nach Hodgkin & Huxley
Was bedeuten die Begriffe ‚single-compartment model‘ und ‚multi compartment model‘?
Die passiven Eigenschaften einer Nervenzelle lassen sich durch verschiedene elektronische Bauelemente beschreiben. Welche sind das und welche biologischen Grundlagen repräsentieren sie?
Die Lipidmembran trennt elektrische Ladungen und stellt einen Plattenkondensator dar.
Kapazität C (= Ladungsfassungsvermögen) der Membran
Neben der Kapazität bildet eine Membran auch einen elektrischen Widerstand
Neurit = Kabel
Welche Vorhersage haben Hodgkin und Huxley mit ihrem Modell zur Aktionspotentialgenerierung getroffen?
Der Aktionspotentialgenerierung liegt eine dynamische Veränderung der Membranleitfähigkeit für verschiedene Ionensorten zu Grunde.
Phänomenologisches Model der Generierung von Aktionspotentialen im Tintenfischaxon:
1. Die Leitfähigkeiten der Membran für Natrium und Kalium Ströme sind spannungsabhängig. Der Gesamtstrom ist die Summe dieser Einzelströme.
2. Die individuellen Ionenströme verhalten sich linear zu ihrem elektrochemischen Potential via dem Ohm’schen Gesetz.
3. Jede Ionenleitfähigkeiten wird ausgedrückt als maximale Leitfähigkeit G multipliziert mit einem Koeffizient, der den Anteil der maximalen Leifähigkeit repräsentiert, der zur Zeit vorhanden ist. Diese Koeffizienten sind Funktionen von einem oder mehreren fiktiven Kanaltoren, die die Dynamik der Leitfähigkeiten beschreiben.
Wovon ist die Leitfähigkeit einzelner Kanäle abhängig?
Von der Dynamik von Kanaltoren für Kalium- und Natriumionen
Worauf beruht die Membrangleichung?
Der Stromfluss folgt dem ersten Kirchhoffschen Gesetz (Knotenregel): Die Summe der zufließenden Ströme in einem elektrischen Knotenpunkt ist gleich der Summe der abfließenden Ströme.
Was sagt die Längskonstante aus und welche Parameter lassen sich optimieren, um ein möglichst weite Signalweiterleitung in einem Dendriten/Axon zu erreichen?
Die Längskonstante beschreibt, wie weit sich Veränderungen des Membranpotenzials passiv entlang eines Axons oder eines Dendriten, ausbreiten können.
Mit zunehmendem Durchmesser eines Dendriten / Axons erhöht sich die Längskonstante und das Potential nimmt auf die Entfernung weniger ab.
Verbesserung der elektrotonischen Fortleitung durch:
Verkleinerung vom axonalem Widerstand (Bei Vergrößerung des Axondurchmessers verringert sich der axonale Widerstand.)
Vergrößerung vom passiven Membranwiderstand (Myelinisierung von Nervenfasern erhöht den spezifischen Membranwiderstand)
Modellierungen, die die Morphologie der Neurone berücksichtigen, sind meist sehr komplex. Wie können solche Modelle reduziert werden (Stichwort: Integrate-and-Fire)?
Vernachlässigung der Morphologie (Dendriten & Axone) sowie deren Physiologie
In der Zelle herrschen überall die gleichen Bedingungen (isopotential)
Ersetzen der leitfähigkeitsbasierten Beschreibung der AP-Generierung durch ein passives Model mit Reizschwelle
Die neuronale Information ist nur in der Spikerate und den Spikeintervallen codiert und nicht in der Höhe und Form des Aktionspotentials
Integrate-and-Fire Model:
sehr einfaches, sehr effektives single-compartment model
erste Vorschläge schon 1907 (Lapicque); 45 Jahre bevor H&H die Grundlagen der AP-Generierung beschrieben
bestehend aus einer passiven, integrierenden Domäne und der Generierung von stereotypischen Impulsen, wenn ein Schwellenwert erreicht wird.
Integrate-and-fire model: Vm > Vth → “Aktionspotential” → Vm = Vreset
Ähnlich eines 1–Bit Analog/Digital-Konverters
Worauf beruht das Integrate-and-Fire Model, welches unnatürliche Verhalten zeigt es und wie lässt es sich verbessern?
Wie kann eine Zelle das Potenzial einer anderen Zelle beeinflussen, auch wenn sie keine Synapse miteinander ausgebildet haben?
Ionenströme an Nervenzellen teilen sich durch den gemeinsamen Extrazellulärraum auch anderen Zellen mit.
Setzen Synapsen immer an Dendriten an?
Synapsen treten nicht nur zwischen Axonen und Dendriten auf. Transmitter können auch an Strukturen ausgeschüttet werden, die bis auf die Vesikel keine axonalen Eigenschaften aufweisen.
Wie erfolgt die Transmitteranreicherung in synaptischen Vesikeln?
V-ATPasen (vakuoläre~) in der Vesikelmembran erzeugen einen Protonengradienten (2 Protonen nach innen für 1 ATP)
der Protonengradient liefert Energie, um über einen Antiporter Transmitter im Vesikel ca. 100fach zu konzentrieren
das Vesikellumen ist dann leicht sauer (ph 5,5)
AP kommt an Synapse an
Spannungsabhängige Ca2+ Kanäle öffnen sich und Ca2+ strömt in die Zelle
Vesikel wandern zur Membran und schütten Neurotransmitter aus
Sind alle synaptischen Vesikel gleichwertig?
drei Pools:
Readily releasable (RRP) sind an den aktiven Zonen angedockt und vorbereitet (primed) für die Freisetzung. Dieser Pool ist schnell erschöpft und führt zur ersten, sehr schnellen Reaktion.
Der Recycling pool wird bei länger anhaltender, physiologischer Stimulation freigesetzt und permanent neu gefüllt.
Der Reserve pool wird erst bei sehr starker (unphysiologischer?) Stimulation freigesetzt, wohl erst wenn der Recycling pool erschöpft ist.
An der Synapse gibt es zwei Proteinkomplexe, die mit synaptischen Vesikeln interagieren – was sind die beiden Funktionen dabei?
Komplex 1
v.a. strukturell wichtig und
hält wahrsch. die aktive Zone ausgerichtet an der postsynaptic density (PSD) und
konzentriert Calcium-Kanäle an die aktive Zone.
Komplex 2
kontrolliert die Vesikel Andockung und Fusion
Wichtig: Rab-Proteine: Ras-in-brain, ras = Familie von G-Proteinen, ca. 70 bei Menschen, beteiligt an Vesikelsortierung.
Weiterhin beteiligt: SNARE complex, Rim, Rab3a, Munc, aber auch Calcium-Kanäle.
Vor der Fusion müssen die Vesikel vorbereitet (primed) werden, dabei sind Rim und Munc 13/18 wichtig.
Wichtigster Ca2+-Sensor ist das Synaptotagmin, das durch die Interaktion mit dem SNARE-Komplex die Vesikelfusion abhängig von Ca2+ kontrolliert.
Was ist die snare-hypothese?
Entleert sich ein Vesikel immer komplett nach der Fusion?
Wie wird die Wirkung eines Neurotransmitters beendet?
Welche Eigenschaften müssen Substanzen haben, um als Neurotransmitter zu gelten?
muss in Nervenzellen synthetisiert werden
muss in der Präsynapse vorhanden sein und in genügend großen Mengen freigesetzt werden, um eine definierte Wirkung an der postsynaptischen Zelle oder dem Zielorgan zu haben.
Wenn die Substanz künstlich (exogen) in einer “vernünftigen” Konzentration an die Zielstruktur gebracht wird, muss die Wirkung exakt vergleichbar mit der endogenen Freisetzung sein.
Es muss ein spezifischer Mechanismus vorhanden sein, der die Substanz vom Wirkort (dem synaptischen Spalt) wieder entfernt.
Wichtigster erregender Neurotransmitter im ZNS: Glutamat
Wichtigste hemmende Neurotransmitter im ZNS: Glycin und GABA (γ-Amino-butyrat)
Weitere klassische Neurotransmitter im ZNS: Acetylcholin, Serotonin, Dopamin, Adrenalin
Was sind die Catecholamine, und was ist die Ausgangsaminosäure?
Katecholamine sind Stoffe, die das Dopamin und seine Derivate umfasst.
gemeinsamen Molekülbestandteil Brenzcatechin
Aminosäure Tyrosin
Was bedeutet Neuromodulation?
die Übertragung an einer Synapse erfolgt nicht immer in der gleichen Stärke erfolgt
Die Modulation der Übertragung kann prä- oder postsynaptisch erfolgen
z.B. durch Variation der Calcium-Konzentration in der Präsynapse oder komplex geregelten Veränderungen des Kanalbesatzes
Oft sind aber neuroaktive Peptide beteiligt, also Peptide, die unter anderem eine Wirkung an Synapsen haben.
Davon gibt es 7 Familien: Opioide, Neurohypophysen-Substanzen, Tachykinine, 18 Secretine, Insuline, Somatostatine und Gastrine
Welche grundsätzlichen Wirkungen kann ein Transmitter an der Postsynapse haben?
Aktivierung oder Hemmung
Was ist das Besondere am NMDA-Kanal?
Bei Applikation von Glutamat leitet der Kanal beim Ruhepotenzial keine Ionen, da ein Mg2+-Ion in den Kanal gedrückt wird und diesen blockiert (Mitte). Ohne Mg (rechts) verhält sich der Kanal wie ein „normaler“ Kanal.
Wo finden sich gasförmige Botenstoffe, und welche Funktion haben sie?
Was bezeichnet man als deklaratives Gedächtnis, und welche beiden Typen von deklarativem Gedächtnis sind bekannt?
Ein Mensch hat eine beidseitige Zerstörung des Hippocampus – kann er sich noch an seine Schulzeit erinnern?
Er kann keine neuen Gedächtnisinhalte abspeichern. Die generelle intellektuelle Leistungsfähigkeit ist jedoch nicht beeinträchtigt.
Intaktes Kurzzeitgedächtnis, aber keine Möglichkeit zur Übertragung in Langzeit Gedächtnis (anterograde Amnesie)
Was sind die Inhalte des sensorischen Gedächtnisses, und wie lange hält dieses normalerweise vor?
das sensorische G. ist Teil des Kurzzeitgedächtnisses
Im Kurzzeitgedächtnis werden Informationen verarbeitet, die von den Sinnesorganen aufgenommen werden
Ein Teil verblasst sofort z.B. die Wahrnehmung der Bewegung Ihres Bank Nachbarn in der Vorlesung
Ist das Langzeitgedächtnis unwandelbar wie eine Photographie?
Inhalte des Langzeitgedächtnisses können durch Wiederabruf (memory reactivation) wieder labil werden. Wenn die Wiederabspeicherung (reconsolidation) unterbrochen wird, können damit auch alte Inhalte gelöscht oder verändert werden.
Welche beiden Positionen gibt es dazu, wo im Gehirn bestimmte Gedächtnisinhalte gespeichert werden?
Bildung und das Abrufen expliziter Gedächtnisinhalte führen zu lokaler Aktivierung des Neocortex
Dennoch ist unklar, wie und wo Gedächtnis inhalte gespeichert sind. Extrempositionen:
lokale Zentren (Brodman-Areale?), dort Speicherung von spezifischer Information.
Speicherung wird verteilt über den gesamten Cortex.
Mögliche Lösung: Hierarchische Organisation, mit einem perzeptionellen Teil (=sensorisch) und einen exekutiven Teil (=motorisch)
Was besagt die Hebb’sche Regel?
wiederholen führt zu Änderungen in der Zellstruktur
wenn ein Axon oft genug an einer Signalweiterleitung beteiligt ist, dann werden beide Zellen verstärkt
Was bedeutet eine Habituation, und was eine Sensitisierung?
Habituierung führt zu verminderter Transmitterausschüttung an allen beteiligten Synapsen
Sensitivierung bezeichnet die Zunahme der Stärke einer Reaktion bei wiederholter Darbietung desselben Reizes.
Langanhaltende Sensitisierung erfolgt über Proteinbiosynthese und den Aufbau neuer Synapsen
Welche drei Mechanismen sind bei Aplysia Californica bei der Sensitisierung an der Synapse beteiligt?
Welche Veränderungen werden bei Aplysia durch eine langanhaltende Sensitisierung hervorgerufen?
Was genau ist die klassische Konditionierung?
Die klassische Konditionierung ist ein gut etabliertes Lernparadigma
einer natürlichen, meist angeborenen, sogenannten unbedingten Reaktion kann durch Lernen eine neue, bedingte Reaktion hinzugefügt werden
Definitionen:
Unconditioned stimulus (US): Stimulus, der vor dem Experiment Verhalten (UR) auslöst
Neutral stimulus: Stimulus ohne Bedeutung für das Versuchstier vor dem Experiment
Conditioned stimulus: Stimulus, der erst nach dem Experiment Verhalten (CR) auslöst
Was bezeichnet man als Langzeitpotenzierung?
Verstärkung der synaptischen Übertragung eines Neurons als Reaktion auf eine vermehrte Bildung von Aktionspotenzialen (neuronale Plastizität)
Bei starker, längerer anhaltender Erregung werden Calciumkanäle geöffnnet, die vorher durch Mg+ blockiert wurde
Ca aktiviert:
NO-Synthase -> mehr Transmitter in der Präsynapse
CaM Kinase II -> mehr Na Kanäle in Postsynapse
Adenylatcyclase -> Beschleunigt ATP to cAMP (mehr Gene werden abgelesen -> mehr Proteine für Synapsen)
Welche Rolle spielen NMDA-Kanäle auf Spines bei der Langzeitpotenzierung im Hippocampus?
place cells: Zellen im Hippocampus von Mäusen feuern vor allem an bestimmten Orten in einer Umgebung: sie sind ortsspezifisch
Eliminierung von NMDA-Kanälen oder auch Expression einer dauerhaft aktiven 32 CaM-Kinase führt zu ständiger Veränderung der place-cells
Instabile „place-cells“ durch ständig aktive CaMKinase II blockieren das Lernen räumlicher Zusammenhänge
Welche Unterteilungen hat die Hypophyse (Hormondrüse im Gehirn) der Säuger?
Was sind die beiden Zustände des Körpers, die vom vegetativen Nervensystem eingestellt werden?
Unterteilt in sympathischen und parasympathischen Anteil.
Der Hypothalamus ist die wichtigste Kontrollinstanz für das vegetative Nervensystem.
Das vegetativen Nervensystem ist neben dem somatischen Nervensystem der neuronale Output des ZNS.
Welche Rolle hat das enterische Nervensystem?
eigenständige Funktion, d.h. sensorische Neurone
Dehnung, Spannung, Chemorezeption schalten auf motorische N.,
Produktion von Enzymen etc. kontrollieren. Integration mit Z
Was bezeichnet man als ARAS?
Wo im Gehirn wird Noradrenalin vor allem gebildet, und was ist die zentrale Wirkung wenn dieser Kern aktiviert wird?
Moradrenalin = Neurotransmitter
stammt aus 7 Nuclei (A1-A7) u.a. im Locus Coeruleus („himmelblauer Ort“)
Welche beiden Haupt-Projektionsbereiche haben die serotoninergen Zentren im Hirnstamm?
Die rostral gelegenen Bereiche projizieren in den Hypothalamus, dort Steuerung von Blutdruck, Temperatur, Eß- und Sexualverhalten.
Generell moduliert 5-HT die Stärke der Antwort auf andere Transmitter
Es gibt zwei Zentren cholinerger Neurone im ZNS – welche sind das?
im basalen Vorderhirn (mediale Septumkerne und Nucleus basalis meynert) Projektion v.a. zum Cortex und zum Hippocampus, kognitive Funktionen?
im Tegmentum und der Pons, nahe den anderen modulatorischen Systemen. Projektion v.a. zum Thalamus, hier u.U. Kontrolle der aufsteigenden Informationsweitergabe (gating)
Wie ist der Zusammenhang zwischen Drogenkonsum und dem dopaminergen System im Gehirn?
schon nach 1-maligem Ecstacy Konsum werden bei Primaten die Komponenten des Dopamin- und Serotonin-Stoffwechsels herunter reguliert, in der Folge sterben die entsprechenden Neuronen irreparabel ab
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