(3) Nervenzellen: Erregungsbildung- und Weiterleitung

• Gehirn setzt sich aus einzelnen Neuronen und anderen Zell zusammen > strukturell, metabolisch und funktionell unabhängige Einheiten

• Informationsübermitllung von Zelle zu Zelle über synaptischen Spalt

• auf Signalübertragun spezialisierte Zelle (Empfang, Integration, Weiterleitung und Übertragung elektrischer Signale)

• Zellkörper, Dendriten und Axon

• verschiedene Unterarten

• Synapse mit weiteren Nervenzellen (chemisch oder elektrisch)

Dendriten

• Input-Zone: Informationen werden von anderen Neuronen aufgenommen

• stark verzweigt

• Dornfortsätze / Dendritedornen: “Lernen” durch Wachstum, “Verlernen” durch Zurückgehen von Dendriten

Zellkörper (Soma)

• Integrationszone (Axonhügel): Kombination und Transformation der Inputs

• enthält Zellkern, Ribosomen, Mitochondieren, “Stoffwechselzentrum”

• Proteinbiosynthese (Transkription und Translation von DNA, Produktion/Abbau von Stoffen, die Überleben der Zelle sichern)

• zusätzliche synaptische Kontaktstelle

Axon

• Outputzone: sendet Informationen an entfernte Neuronen/Zellen

• Weiterleitung des intergrierten Signals zum synaptischen Endknöpfchen (Kontakstellen/Synapsen zu Dendriten anderer Neurone)

• tw. von Myelinschicht umgeben (Myelinscheiden mit Ranvier’schen Schnürringen) > schnellere Informationsweiterleitung

  • Myelin (auch weiße Substanz im Gehirn): fetthaltige Biomembran (Abbau z.B. bei MS)

  • Ranvierscher Schnürring: saltatorische Erregungsweiterleitung

Multipolare Neurone

• viele Dendirten (Dendritenbaum) und ein Axon

• häufigster Typus

Bipolare Neurone

• zwei Fortsätze vom Soma ausgehend

• einzelner Dendrit an einem Ende des Neurons

• häufig in sensorischen Systemen, z.B. visuelles System, Ganglienzellen

Unipolar Neurone

• ein Ausläufer (meist Axon) von Soma ausgehend, sich in zwei Richtungen aufspaltend

große Neurone

• Pyramidalzellen, Purkinjezelle

• komplexe In- und Outputzonen, strecken sich über größere Distanzen und verarbeiten Informationen oft schneller

kleine Neurone

• Spindelzelle, Granularzelle

Efferente Neurone

• von ZNS in Peripherie (Informationsübertragung zu Muskeln)

• motorische/motoneurone Neurone

• Kontrolle von Motorik und Organfunktion

Sensorische Neurone

• afferente Neurone, von Peripherie ins ZNS

• Reaktion auf Umweltreize (Licht, Geruch, Berührung, etc.)

Interneurone

• Input von Neuronen und Output an Neuronen

• “zwischengeschaltet”

• im ZNS & PNS diffus im (Nerven-)gewebe verstreut

• funktionell von Neuronen abgrenzbar

• vier Arten

• Stütz- und Haltefunktion

• Stoffaustausch zwischen Neuronen und extrazellulärem Raum

• Gehirnfunktionen

• Stützfunktion: Füllung von Bereichen zwischen Neuronen (beeinflussen wahrscheinlich Wachstum von Neuriten)

• Kontakt zu Blutgefäßen (Stoffaustausch mit Neuronen)

• Regulation des chemischen Milieus des Extrazellulärraums (z.B. Ausbreitung freigesetzter Neurotransmitter, Kalziumkonzentration)

• Blut-Hirn-Schranke (Pseudopodien)

• Immuneffektorzellen (Phagozytose)

• Eliminierung / Abbau von Ablagerungen und toten Zellen

• Antigenrepräsentation

• Myelinisierende Gliazelle

• umwickeln mehrere Axone / mehrere Fortsätze

• Myelinisierende Gliazellen

• Myelinisierung von einem Axon

Transport von Stoffen im Axon entlang

• langsamer und scheller atonaler Transport

• Anterograder Transport: Im Soma erzeugte Proteine werden abwärts in das Axon transportiert (Kinsein)

• Retrograder Transport: Abbauprodukte (Dynein) von synaptischen Endknöpfchen zu Soma

• Einschluss von Material (Neurotransmitter, Wachstumsfaktoren) in Vesikeln, Transport entlang der Mikrotubuli des Axons

• aus Phospholipiddoppelschicht

• Selektive Permeabilität

• Selektive Ionenkanäle, tw. gestreute Öffnung (z.B. spannungsabhängig, transmitterabhängig)

• Bewegung eines Ions durch geöffneten Kanal aufgrund von Diffusion und Elektrizität

Diffusion

• Bewegung von Teilchen in Richtung des Konzentrationsgefälles vis zum Konzentrationsausgleich

• Eigenbwegung der Teilchen (Brownsche Bewegung)

  • spontan, zufällig, passiv

• Nettobewegung der Ionen von hohe Konzentration zu niedrigen Konzentration

(Osmose)

• Bewegung von Wasser

• Diffusion durch eine semipermeable Membran

• Ausgleichung Konzentrationsunterschiede durch Verhältnisanpassung von Wassermenge

• Osmotischer Druck: verursacht Fluss des Wassers durch Membran

• Potentialdifferenz und durchlässige Ionenkanäle

• Ohm’sches Gesetz: Strom = Potenzialdifferenz x Leitfähigkeit

Intrazellulär

• viel Kalium (+) > kann frei diffundieren, offene Ionenkanäle

• viel Proteine

• negative Spannung innerhalb der Zelle

Extrazellulär

• viel Natraum (+) > kann nicht frei diffundieren

• elektrische Potentialdiffernenz zwischen Inneren der Zelle und extrazellulärer Flüssigkeit

• -55 - -100 mV

• hohe Anzahl negativ geladener Ione und Proteine (intranational)

• viel Kalium, wenig Natrium > durch selektive Permeabilität aber Zellmembran relativ durchlässig für Kalium

• Kaliumaustrom (gemäß Konzentrationsgradienten) bis zum Stop des Nettoausstroms

• Kalium-Gleichgewichtspotential bei -70mV

• elektrischer Spannungsunterschied zwischen intra- und extrazellulärem Raum

• Membran auch ein wenig für Natrium permeables (Zellinneres droht zunehme positiver zu werden, gefährdetes Ruhepotential)

Natrium-Kalium-Pumpe

• Aufrechterhaltung durch aktiven, energieaufwendigen Transport von Natrium aus der Zelle und Kalium in die Zelle

• Kontrolle durch Astrozyten (Kaliumkonzentration)

• notwendig für die Funktionsweise des Nervensystems

• Depolarisation der Zelle: Verminderung des Ruhepotentials (Zellinneres wird positiv)

• Schwelle bei -60mV bis -40mV, danach monotoner Ablauf einen Aktionspotenzials (Alles-oder-Nichts Pirinzip)

• Erregungszustand der Nervenzelle, welcher sich durch eine schnelle Veränderung des Membranpotenzials äußert

• kurze / schnelle Abweichung vom Ruhepotential: intrazelluläre Ladung bei +30mV

• Dauer und Größe innerhalb einer Zelle im mer gleich

• Entstehung am Axonhügel, Ausbreitung entlang des Axons

• Dient der Informationsweiterleitung von Nervenzellen (universelles Kommunikationsmittel)

• Informationübermittlung durch Frequenz der AP’s (abhängig von Reizstärke)

• Ruhepotential bis zur Erreichung des Schwellenwerts

  • geschlossene Natrium-Kanäle, geöffnete Kalium-Kanäle

• Depolarisation

  • Öffnung von Natrium-Kanälen + positives Feedback (Öffnen spannungsabhängiger Kanäle)

  • schneller Einstrom von Natrium bis Höhepunkt (30mV)

• Repolarisation

  • Natrium-Kanäle schließen sich

  • spannungsabhängige Kalium-Kanäle öffnen sich

  • Austrom von Kalium

• Hyperpolarisation

  • Pontential unter Ruhepotential

Absolute Refrektärphase

• Zeit bis 2ms nach ausgelösten AP

• Zelle ist hyperpolarisiert und nicht erregbar

• spannungsgesteure Natrium-Kanäle sind geschlossen

• Begrenzung der maximalen Feuerrate von Neuronen, aber keine Zurückleitung von AP

Relative Refraktärphase

• Zeit bis 5ms nach ausgeslöstem AP

• Zelle nur durch extrem starke Reize erregbar, insgesamt aber vermindert erregbar

• Weiterleitung folgt Alles-oder-Nichts-Prinzip

• Frequenz von 1m/s bis 100m/s

• Geschwindigkeit abhängig von Faserdurchmeser und Myeliniserung der Nervenfaser

• kontinuierliche Leitung (langsam)

• AP startet am Axonhügel, Natrium depolarisiert Axon an Einströmungstelle und öffnet benachbarte Kanäle

• Weitergabe durch Ladungsunterschiede im Zellinneren (Ladungsausgleich mit negativem Ruhepotential)

• fließt durch inaktive Natriumkanäle in Refraktärphase nicht zurück

• je größer der Axondurchmesser, desto schneller die Erregunsleitung

• schnell (bis 120m/s)

• salatorische Erregungsleitung: APs springen von einem Schürring zum nächsten (Schnürring mit hoher Dichte an Natriumkanälen)