Kapitel 6: neuronale Koordination

Tiere -> heterotrophe Ernährung (gewinnen ihre Energie durch den Abbau von organischen Substanzen, die sie von anderen Organismen (tote oder lebende) beziehen) -> aktive Bewegung -> erfordert schnelle Reaktionen

Pflanzen -> autotrophe Ernährung (können selbst aus anorganischen Stoffen, CO2, Wasser etc. in organische Stoffe umwandeln: Produzieren eigene Nahrung) -> keine aktive Bewegung, da sie meist sessil sind -> kein neuronales System notwendig

• Das Gehirn macht etwa 2% des Körpergewichts aus

• Das Gehirn verbraucht trotz des geringen Gewichts etwa 20% des gesamten Sauerstoffs, den der Körper aufnimmt

-> Warum? Gehirn hat hohe Stoffwechselaktivität und benötigt kontinuierlich Energie, um Funktion aufrecht zuerhalten

• bevorzugt Glukose als Energielieferant -> kann Blut-Hirn-Schranke gut passieren (im Gegensatz zu Fetten o.ä.)

• ausschließlich oxidativer Metabolismus

Oxidativer Abbau:

• Glucose wird unter Nutzung von O2 vollständig abgebaut in Mitochondrien -> 36-38 Moleküle ATP pro 1x Molekül Glukose

-> Hohe Energiebeute

Anaerober Abbau:

• Umwandlung Glukose zu Lactat -> 2 Moleküle ATP pro 1x Molekül Glukose

-> weniger Energie

warum oxidativ?

-> Gehirn benötigt kontinuierlich eine große Menge an Energie (in Form von ATP), um grundlegende Funktionen aufrechtzuerhalten. Bei anaerob zu wenig ATP Produktion und zu wenig Energie.

Zellen können unter mangelndem O2 kein ATP beim oxidativen Metabolismus herstellen und somit keine Energie gewinnen.

Folge: Störung der Hirnfunktion, weil keine Funktionen ohne Energie ausgeführt werden können.

1. sensorische Neuronen (Sinneszellen, Rezeptoren) -> afferent -> Leiten Information zum ZNS hin

   • empfangen Information über optische, chemische o. mechanische Reize und übermitteln Information (als elektrisches Signal) an Folgeneuronen

2. motorische Neuronen -> efferent -> Leiten Information vom ZNS weg

   • übertragen Signale vom ZNS an z.B. Muskelzellen, um Bewegung zu steuern

3. Interneuronen (z.B. im Rückenmark)

   • Verbinden Nervenzellen im ZNS miteinander

   • Vermitteln zwischen sensorischen und motorischen Neuronen

   • Rolle bei Informationsverarbeitung

     Beispiel: Beugereflex

     sens. Neuronen:

   • Schmerzreiz (durch Treten auf spitzen Gegenstand) wird von Schmerzrezeptoren in Haut wahrgenommen

   • Leiten Schmerzsignal afferent zum ZNS

     Interneurone:

   • aktivieren motorische Neuronen, die Beugemuskeln des betroffenen Beins ansteuern

   • Gleichzeitig:hemmen sie motorische Neuronen, die für Streckmuskulatur des Beins zuständig sind -> Sicherstellung, dass Bein sich beugen kann und nicht blockiert wird

     motor. Neuronen:

   • aktivierten motorischen Neuronen leiten Signal an die Beugemuskulatur weiter, sodass Muskel sich kontrahiert und das Bein wegzieht von Reizquelle.

=> Interneurone werden nur bei komplexeren Reflexen benötigt!

• kein anderer Zelltyp wird mehr als über 10m lang (einige motorische Nervenzellen bei Walen)

• kein anderer Zelltyp knüpft spezifische Kontakte zu 10^4-10^5 anderen Zellen

1. Zellkörper (Soma)

• zentraler Teil des Neurons

• enthält Nukleus (mit DNA) + verschiedene Organellen wie Mitochondrien, Golgi-Apparat und eR

2. Dendriten (=Rezeptorregion)

• Baumartig verzweigte Fortsätze, die sich vom Zellkörper erstrecken

• Empfangen Signale (elektrische Impulse) von anderen Neuronen oder von Sinneszellen -> leiten diese Signale zum Zellkörper weiter

3. Axonhügel

• Verbindungsstelle zwischen Zellkörper und Axon

• Verarbeitung der Summen aller eingehenden Signale von den Dendriten -> Bei best. Schwellenpotenzial wird Aktionspotential erzeugt und weitergeleitet

4. Axon (= Verzweigungsregion)

• langer, schlanker Fortsatz, der sich vom Zellkörper aus erstreckt und sich am Ende in Axonendigungen aufteilt

• leitet elektrische Impulse (Aktionspotentiale) weiter bis zum synaptischen Endknöpfchen

• Enthält Kollateralen (Seitenäste), um Signal an mehrere Zellen zu übertragen

5. Myelinscheide

• Viele Axone sind von Myelinscheide umgeben, die aus speziellen Zellen besteht:

• Myelinschicht wird von Zellen gebildet (Schwann-Zellen und Oligodendrozyten)

• Wirkt als Isolationsschicht und sorgt dafür, dass elektrischen Signale schneller entlang des Axons weitergeleitet werden

• ermöglicht saltatorische Erregungsleitung -> Aktionspotential springt von einem Ranvier'schen Schnürring zum nächsten

6. Ranvier'sche Schnürringe

• Unterbrechungen in der Myelinscheide entlang des Axons

• Ionenfluss findet durch Zellmembran statt -> Weiterleitung

  
  

7. präsynaptische Endigung (=synaptisches Endknöpfchen)

• Endabschnitt eines Axons

• Enthalten synaptische Vesikel, die mit Neurotransmittern gefüllt sind. Beim Ankommen des AP im Endknöpfchen --> Neurotransmitter werden im synaptischen Spalt freigesetzt

8. Synapsen

• Übertragungsort zwischen zwei Nervenzellen, besteht aus:

• Präsynaptischer Membran (Teil des synaptischen Endknöpfchens)

• Synaptischer Spalt: Neurotransmitter Abgabe

• Postsynaptische Membran: Membran der empfangenden Zelle (z. B. Dendrit einer anderen Nervenzelle), die Rezeptoren für die Neurotransmitter enthält

Durch spezielle Zellen, die das Axon umhüllen.

• Schwann-Zellen: Myelin-produzierende Zellen im Peripheren Nervensystem (PNS)

• Oligodendrozyten: Myelin-produzierende Zellen im zentralen Nervensystem (ZNS)

=> Beide gehören zu der Gruppe der Glia-Zellen

Myelinisierung entsteht, wenn die o.g. Zellen Myelin (lipidreiche Substanz) produzieren und sich dann um das Axon wickeln. Dabei lagern sich die Zellmembran mehrfach übereinander, wodurch eine “dicke Schicht” entsteht, die reich an Myelin ist.

• Golgi-Färbung -> Injizierung von Fluoreszenzfarbstoffen -> willkürliche Erfassung von Neuronentypen

• Einbau von Genen, die für fluoreszenzmarkierte Proteine kodieren, in DNA von Neuronen -> Produktion von fluoreszenzmarkierten Proteinen -> best. Lichtverhältnisse werden sie sichtbar gemacht

• Mikrotubuli -> fungieren als Schienen, auf denen spezielle Transportproteine (Motorproteine) wie Kinesin und Dynein die Ladung transportieren

• Aktinfilamente -> unterstützen die Zellform und Ladungsverteilung

• Intermediärfilamente -> Stabilität und mechanische Festigkeit des Axons

  
  

  => netzartiges Proteingerüst

Mikrotubuli = TRANSPORT

Aktin- und Intermediärfilamente = STABILITÄT UND STRUKTUR

• Cytochalasin B: Stopp Axonwachstum => gebildetes Axon bleibt erhalten

• Colchicin: Stopp Axonwachstum => Axon zieht sich zum Soma zurück

=> axonaler Transport (=gerichteter Transport) von Molekülen und Organellen entlang der Mikrotubuli im Axon

=> Einschleusung erfolgt über den Golgi-Apparat

• Kann in zwei Richtungen erfolgen:

1) Anterograder Transport:

=> Bewegung vom Zellkörper (Soma) zum Axonterminal

• Durchführung des Transports durch Motorprotein Kinesin

• Transportiert werden z.B. Neurotransmitter-Vesikel, Enzyme, Mitochondrien, und Membranbausteine -> Versorgung für Signalübertragung

2) Retrograder Transport:

=> Bewegung vom Axonterminal zurück zum Zellkörper

• Durchführung des Transports durch Motorprotein Dynein

• Rückführung von abgenutzten Organellen und Recycling von Materialien z.B. abgebaute Zellbestandteile, Wachstumsfaktoren o. Signale, die im Zellkörper verarbeitetabgebaut werden müssen

• Golgi-Apparat => Einschleusung der Syntheseprodukte

1) Peptid-Neurotransmitter: z.B. Endorphine (kurze Aminosäureketten)

• Werden im Zellkörper (ER und Golgi-Apparat) produziert, in Transportvesikel verpackt und ins Axonterminal transportiert.

2) Kleinmolekulare Neurotransmitter: Dopamin, Acetylcholin, Glutamat, GABA (einzelne Moleküle o. auch kurze AS-Ketten)

• Werden oft lokal im Axonterminal synthetisiert, aber die für ihre Produktion benötigten Enzyme werden im Zellkörper produziert, verpackt und transportiert.

z.B. Cholinacetyltransferase (ChAT) -> verantwortlich für Synthese von Acetylcholin

• Funktion als Bindegewebe, da sie die Nervenzellen umhüllen

• ektodermaler Herkunft

Wirbellose Tiere:

• Verhindern direkten Kontakt der Nervenzellen mit der Hämolymphe -> Verhinderung schädlicher Substanzen aus Hämolymphe in Nervenzelle

Wirbeltiere:

• sternförmige Astrozyten umgeben Nervenzellen und Blutkapillaren

• entscheidend für Bildung und Aufrechterhaltung der Blut-Hirn-Schranke

  -> Indem sie die Blutkapillaren umschließen, regulieren sie den Austausch von Stoffen zwischen Blut und Gehirn und entscheiden, welche Substanzen durchgelassen werden oder nicht

  -> Nehmen nämlich Nährstoffe aus dem Blut auf, um sie an andere Neuronen weiterzugeben

• Funktion: dienen der elektrischen Isolierung und Erhöhung der Nervenleitung

• Vorkommen: im peripheren NS

• Zugehörigkeit: Art von Gliazellen

Einfache Nervennetze (z.B. bei Cnidaria)

• Diffuses Netz von Nervenzellen ohne Zentrale

Einfach strukturierte Nervensysteme (z.B. bei Plattwürmern)

• Zwei Längsnervenstränge mit einfachen Ganglien an Kopfregion

ZNS (z.B. Vertebraten und Arthropoden) - höchst entwickelte Form

• Wirbeltier: Gehirn + Rückenmark -> Entwicklung aus Neuralrohr

• Arthropoden: Paarige Ganglien entlang des Körpers, verbunden durch Nervenstränge (Strickleiternervensystem)

• ektodermaler Herkunft

• bildet sich durch Neuralplatte, die sich zur Neuralrinne und schließlich zum Neuralrohr formt (bei Vertebraten)

1) Migration der Zellkörper

• Während Embryogenese:

  Neuroblasten (Vorläuferzellen von Nervenzellen) wandern mithilfe von Stützgliazellen und extrazellulärer Matrix im Nervensystem und erreichen ihre Zielposition

• extrazelluläre Matrix: Moleküle die Migration lenken

• Stützgliazellen: fungieren als “Schienen/Gerüst” für Neuroblasten

• Entstehung verschiedener Schichten und Zelltypen in Großhirnrinde und Kleinhirn

  • Großhirnrinde und Kleinhirn sind “vorstrukturiert” durch Hox-Gene -> Positionierung und Differenzierung der Neuroblasten innerhalb dieser vorgezeichneten Bereiche führt dann zur Ausbildung der charakteristischen Schichten

2) Auswachsen der Axone

• Angekommen am Zielort -> Auswachsen der Axone der Neuronen!

• Spitze des wachsenden Axons -> Wachstumskegel

• Wachstumskegel: reagiert auf Wachstumsfaktoren/Leitmoleküle, wie Laminin oder Netrin-1, die als “Wegweiser” fungieren, um Axon in richtige Richtung zu lenken (zur Zielzelle für Synapsenbildung)

3) Knüpfung synaptischer Verbindungen (Synaptogenese)

• Axone erreichen Zielzellen -> Synapsenbildung

• Bildung übermäßiger Synapsen (oft mehr als notwendig)

• Durch regelmäßige Aktivität und sensorische Erfahrungen werden nützliche Verbindungen verstärkt und stabilisiert, während unnötige Synapsen zurückgebildet werden

-> Sensorische Erfahrungen: Sehen, Hören, Fühlen, Riechen und Schmecken

Netzwerke von Neuronen, die über Synapsen miteinander verbunden sind und zusammenarbeiten, um Informationen zu verarbeiten, Signale zu übertragen und Verhaltensreaktionen zu steuern.

=> mind. 3 Zellen

1) Sensorisches Neuron

2) (Interneuron) -> nicht immer!

3) Motorisches Neuron

4) Effektorzelle (Zelle, die auf Signal von m. Neuron reagiert)

• Mit Interneuron: 3 Synapsen sind zwischengeschaltet

  -> polysynaptischer Reflex

• Ohne Interneuron: 2 Synapsen zwischengeschaltet

  -> monosynaptischer Reflex

-> Cnidarier haben einfaches Nervennetz

-> Keine strikte Trennung von sensorischen und motorischen Neuronen

-> Nesselzellen (Cnidozyten) erkennen Reiz und reagieren sofort

-> sensorische Wahrnehmung und motorische Antwort in 1x Schritt

=> Meeresschnecke -> Kiemenrückzugreaktion

Sensorisches Neuron:

• Aktivierung durch Berührung an Kiemen -> Erzeugt AP und wird weitergeleitet an nächstes Neuron im Schaltkreis

Interneuron:

• empfängt Signale von sensorischem Neuron und leitet sie an motorisches Neuron weiter

Motorisches Neuron:

• empfängt Signal von Interneuron -> Aktivierung der motorischen Neuronen für Kontraktion der Muskeln

• Signalweiterleitung an Effektorzelle z.B. Muskelzelle

Effektorzelle:

• Aufnahme des Signals -> Muskeln ziehen Kiemen zurück

  -> Schutz vor Verletzung o.ä.

bestehende Neuronen-Ensembles werden modifiziert und mit neuen Ensembles verbunden -> neue Funktionen

Ensembles: Gruppe von Neuronen, die zusammen arbeiten und für spez. Funktion aktiviert werden

Broca-Areal: Sprachproduktion

Schädigung:

-> Schwierigkeiten bei Sprachproduktion

-> jedoch relativ gutes Sprachverständnis

Wernicke-Areal: Sprachverständnis

Schädigung:

-> Schwierigkeiten im Sprachverständnis anderer Menschen

-> flüssige und grammatikalisch korrekte Sprache, aber bedeutungslose Aussagen

• Embryonal: Bildung des Neuralrohrs

  Aufteilung in…

  -> Prosencephalon (Vorderer Teil des Rohrs)

  -> Rhombencephalon (Hinterer Teil des Rohrs)

Spätere Entwicklung:

Prosencephalon -> Telencephalon und Diencephalon

Rombencephalon -> Mesencephalon, Metencephalon und Myelencephalon

Grundlegende und lebenswichtige Funktion:

• Regulation der Atmung, Herzschlag, Weiterleitung von sensorischen und motorischen Signalen zwischen Gehirn und Rückenmark

  
  

Bestandteile:

• Tegmentum aus Mesencephalon

• Pons (Brücke) aus Metencephalon

• Medulla oblongata aus Myelencephalon

wichtiger Bestandteil!

=> Formatio reticularis -> Netzwerk von Neuronen

• Steuerung von Wachheit, Aufmerksamkeit, Schlaf

• Zerstörung: dauerhaftes Koma

links: Sprachfunktion

rechts: räumliches/visuelles Vorstellungsvermögen

=> Asymmetrie: jedoch individuelle Unterschiede von Person zu Person, besonders bei Schädigungen

1. Magnetresonanztomographie (MRT)

2. Elektroenzephalographie (EEG)

3. Positronen-Emissions-Tomographie (PET)

4. Magnetoenzephalographie (MEG)

etc….

• PNS: alle Nerven, die außerhalb des ZNS liegen

  -> Verbindet ZNS mit den Gliedmaßen und Organen

• ZNS: enthält alle Nervenzellen und Nervenbahnen, die sich innerhalb von Gehirn und Rückenmark befinden

1) Somatisches Nervensystem: “bewusst”

• Überträgt sensorische Informationen von den Sinnesorganen zum ZNS und leitet motorische Befehle zu den Skelettmuskeln -> Motorische Befehle steuern Bewegungen wie Gehen, Greifen, Sprechen und andere bewusste Bewegungsabläufe

2) Vegetatives Nervensystem: “unbewusst”

• Steuert unbewusste Prozesse wie Stoff- und Energiewechsel, oder auch inneren Organe (z.B. Herzfrequenz, Blutdruck, Atmung und Verdauung)

• arbeitet autonom -> passt Aktivität der Organe an aktuelle Bedürfnisse an

1) Symphatikus “Kampf-Flucht-System”

• wird bei Stress, Gefahr oder körperlicher Anstrengung aktiviert

  -> Erhöhung Herzschlagfrequenz

  -> Steigerung Blutdruck

  -> Erweiterung der Bronchien zur Verbesserung der Atmung

• Freisetzung von Hormonen (Adrenalin, Noradrenalin) verstärken Symptome des Symphatikus

2) Parasymphatikus “Ruhe-und Verdauungssystem”

• wird in Ruhe- und Entspannungsphasen aktiviert

  -> Senkung Herzfrequenz

  -> Senkung Blutdruck

  -> Verengung Bronchien und Pupillen

  -> Anregung Verdauungsfunktion

=> Systeme arbeiten zusammen, um inneren Organe im Gleichgewicht zu halten und den Körper an wechselnde Anforderungen anzupassen.