Neurobiologie

1. peripheres Nervensystem

   • sensorische Nerven: leiten Erregungen zum Gehirn oder Rückenmark

   • motorische Nerven: leiten Erregungen an die Zielorgane (z.B Muskeln)

2. zentrales Nervensystem (ZNS)

   • Gehirn und Rückenmark

   • sendet elektrische Erregung über motorische Nerven an Zielorgane

   • reguliert grundlegende Stoffwechselprozesse

   • steuert Hormonsysthem

1. Reiz

2. Sinneszelle

3. sensorische Nerven

4. ZNS

5. motorische Nerven

6. Zielorgan

7. Reaktion

1. Aufbau eines Neurons (Nervenzelle)

2. Dendrit

   • Aufnahme von Signalen anderer Zellen und weiterleitung zum Zellkörper

3. Mitochondrium

   • Energiebereitstellung

4. Soma (Zellkörper)

   • Stoffwechselzentrum der Zelle

   • verarbeitet eingehende Signale

   • enthält wichtige Zellorganelle

5. Zellmembran

   • begrenzt Zelle nach außen

6. Axon

   • Weiterleitung des elektrischen Signals (Aktionspotential) vom Zellkörper zu den Endknöpfchen

7. Synapse

   • Kontaktstelle zwischen zwei Zellen

   • Ort der chemischen Signalübertragung

   • kann Signale verstärken, abschwächen oder hemmen

8. synaptisches Endknöpfchen

   • setzt Neurotransmitter frei

   • überträgt das Signal auf die nächste Zelle

9. Schnürring

   • Unterbrechung der Myelinscheide

   • ermöglicht eine schnelle, sprunghafte Erregungsweiterleitung

10. Gliazelle (Hüllzelle)

    • Schutz und elektrische Isolation des Axons

    • bildet die Myelinscheide und erhöht die Leitungsgeschwindigkeit

    • versorgt das Axon mit Nährstoffen und transportiert Abfallstoffe ab

11. Axonhügel

    • Entstehungsort des Aktionspotentials

    • entscheidet ob ein Nervensignal ausgeköst wird

12. Zellkern

    • enthält die Erbinformation

    • steuert Stoffwechselvorgänge

1. ankommende Erregung

2. Mitochondrium

3. synaptischer Vesikel

4. Neurotransmitter

5. spannungsgesteuerte Ca2+ - Kanäle

6. Endknöpfchen

7. präsynaptische Membran

8. postsynaptische Membran

9. synaptischer Spalt

10. rezeptorgesteuerte Ionenkanäle

11. Acetylcholinerase

Die umwandlung eines Reizes aus der Umwelt in ein elektrisches Signal im Nervensystem

Signalleitung zum Gehirn hin

Signalleitung vom Gehirn weg

• Verbindung zwischen zwei Nervenzellen

• Weiterleitung von Signalen innerhalb des Nervensystems

• Verbindung zwischen einer motoriscgen Nervenzelle und einer Muskelzelle

• Übertragung von elektrischen Signalen in Muskelkontraktion

Ein Motoneuron ist eine Nervenzelle, die Erregung vom ZNS zu einem Effektor (meist Muskel) leitet und dadurch eine Bewegung auslöst

1. Dendrit

   stark verzweigt -> Aufnahme vieler Signale von vielen verschiedenen Nervenzellen

   -> ermöglicht räumliche Summation

2. Soma

   viele Mitochondrien -> ermöglicht Energieintensive Verarbeitung von Informationen

3. Axonhügel

   viele spannungsgesteuerten Ionenkanäle -> schnelle Schwellenwertentscheidungen

4. Axon

   lange Struktur -> effiziente und schnelle Informationsweiterleitung üner lange Strecken

5. Myelinscheide

   isoliert das Axon -> schnelle und effiziente Erregungsleitung

6. Schnürringe

   Unterbrechungen in der Myelinscheide -> enorme Geschwindigkeitssteigerung

Das Ruhepotential ist die elektrische Spannung an def Membran einer nicht erregten Nervenzelle (ca. -70mV im Zellinneren)

1. Ungleiche Ionenverteilung

   • außen: Na+ (Natrium) + Cl-

   • innen: K+ (Kalium) + negertive Anionen

2. selektive Permeabilität der Membran

   • Membran ist durchlässiger für K+ als für Na+

   • K+ - Ionen diffundieren nach außen -> negativität im Inneren steigt an

3. Natrium-Kalium-Ionen-Pumpe

   • pro Zyklus 3 Na+ - Ionen nach außen und 2 K+ - Ionen nach innen

   • sorgt für Aufrechterhaltung des Gradienten

-> stabiles negertives Membranpotntial

-> Voraussetzung für Erregbarkeit der Zelle

1. Ruhepotential (ca. -70 mV)

2. Auslösung eines Aktionspotentials

   • wenn ein ankommender Reitz den Schwellenwert von -50mV erreicht wird ein Aktionspotential ausgelöst

3. Depolarisation

   • spannungsgesteuerte Na+ - Kanäle öffnen sich

   • Na+ strömt in die Zelle

   • Potential steigt an, negertivität im Zellinneren nimmt ab (bis ca. +30 mV)

4. Repolarisation

   • Na+ - Kanäle schließen

   • K+- Kanäle öffnen

   • K+ - Ionen strömen aus der Zelle raus

   -> Potential sinkt wieder

5. Hyperpolarisation

   • K+ - Kanäle schließen verzögert

   • Potential wird kurzzeitig negertiver als das Ruhepotential (bis zu -90 mV)

6. Rückkehr zum Ruhepotential

   • durch Natrium-Kalium-Ionen-Pumpe

   • es kann nicht sofort wieder ein neues Aktionspotential ausgelöst werden

Aktionspotential entsteht nur wenn der Schwellenwert von -50mV erreicht wird, bei schwächeren Reizen passiert nichts

• Zeit kurz nach einem Aktionspotential in der kein neues Aktionspotential möglich ist

• sorgt für gerichtete Weiterleitung

1. kommt in nicht myelinisierten Axonen vor

2. Ablauf:

   • Aktionspotential entsteht an einem Membranabschnitt des Axons

   • lokale Ströme depolarisieren den nächsten Abschnitt

   • Aktionspotential wird dort neu gebildet

   -> Schrittweise Weiterleitung

3. Ist sehr langsam und Energieaufwendig

1. kommt in myelinisierten Axonen vor

2. Aktionspotential entsteht nur an Schnürringe und “springt” von Ring zu Ring

   -> deutlich schneller und Energiesparend

1. Ankunft des Aktionspotentials

2. Öffnung von Ca2+ - Kanälen

3. Vesikelfusion

   • synaptische Vesikel verschmelzen durch Exocytosd mit der Membran

   • Neurotransmitter werden in den synaptischen Spalt ausgeschüttet

4. Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt zur postsynaptischen Membran

5. Neurotransmitter binden per Schlüssel-Schloss-Prinzip an Rezeptoren an der postsynaptischen Membran

6. Öffnung von rezeptorgesteuerten Ionenkanälen

   • Erregende Synapse (EPSP):

     Na+ - Kanäle öffnen sich und es kommt zur Depolarisation

   • Hemmende Synapse (IPSP):

     Cl- - Kanäle öffnen sich und es kommt zur Hyperpolarisation

7. Entstehung eines postsynaptischen Potentials

   -> Änderung des Membranpotentials

   -> kann ein neues Aktionspotential auslösen wenn die Schwelle erreicht wird

8. Abbau des Neurotransmitters

   durch Enzyme (Acetylcholinesterase)

   -> verhindert Dauererregung

9. Wiederaufnahme der zersetzten Bestandteile der Transmitter durch Endocytose

1. Einseitige Signalübertragung

   von prä zu post

2. Umwandlung der Signalart

   elektrisch -> chemisch -> elektrisch

1. Erregende Synapsen (exzitatorisch)

   • öffnen Na+ -Kanäle

   • verursachen Depolarisation

     -> exzitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP)

2. Hemmende Synapse (inhibitorisch)

   • öffnen Cl- - oder K+ - Kanäle (häufiger sind Cl- - Kanäle)

   • verursachen Hyperpolarisation

     -> inhibitorische postsynaptisches Potential (IPSP)

• beginnt in den Dentriten und im Soma, die Entscheidende entgültige Summation aller Signale findet im Axonhügel statt

• alle ankommenden Potentiale werden summiert

• sie können sich gegenseitig verstärken, abschwächen oder ganz auslöschen

• Es kommt entweder zu einer depolarisation oder einer hyperpolarisation am Axonhügel

• Wenn eine Depolarisation vorliegt und diese und diese den Schwellenwert überschreitet wird ein Aktionspotential ausgelöst

1. Filterung von Informationen

2. Verhinderung von Überregung

3. gezielte Reaktionen

1. Räumliche Summation

   • mehrere Synapsen senden gleichzeitig Signale

   • diese breiten sich zum Soma aus

   • werden dort addiert

   • Signale können sich gegenseitig verstärken und abschwächen

2. Zeitliche Summation

   • Addition von Signalen der selben Synapse in schneller zeitlicher Folge

   • Eine Synapse sendet mehrere Signale kurz hintereinander

   • vorheriges Potential ist noch nicht abgeklungen zum Zeitpunkt an dem ein weiteres eintritt

   • Potentiale überlagern sich

   • schnelle Impulsfolge -> steigende Depolarisation

   • solange sich die Zelle in einem depolarisierten Zustand oberhalb des Schwellenwertes befindet werden immer wieder nacheinander Aktionspotentiale ausgelöst

1. Reiz trifft auf Sinneszelle (z.B. Licht, Druck, Temperatur)

2. Aktivierung eines Rezeptors

   spezifische Rezeptorproteine reagieren auf den Reiz

3. Transduktion

   Reiz wird in ein Rezeptorpotential umgewandelt

4. ggf. Weiterverarbeitung in ein Aktionspotential

• elektrische Spannungsänderung an der Sinneszelle

• Stärke ist abhängig von Reizintensität und kann nicht Summiert werden

Ein Mechanismus, bei dem ein außerer Reiz indirekt über intrazelluläre Botenstoffe (Second Messenger) wirkt

1. first Messenger bindet außen an der Zelle (first-Messenger)

2. Rezeptor wird aktiviert

3. Secound-Messenger entsteht

4. Signalverstärkung

   Ein einziges äußeres Signal kann viele Secound-Messenger erzeugen

5. Zellreaktion

   Second-Messenger aktivieren Enzyme oder Ionenkanäle

1. direkte Transduktion

   Reiz öffnet direkt Ionenkanäle

2. indirekte Transduktion

   Signal erfolgt über Botenstoffe (Second-Messenger)

1. Lichtreit

2. Reizaufnahme im Auge

   • Bei Dunkelheit ist die Sehsinneszelle depolarisiert da NA+ -Kanäle geöffnet sind

   • Licht aktiviert den Sehfarbstoff Rhodopsin

   • Aktivierung eines G-Proteins (Second-Messenger)

   • Abbau von cGMP

   • Schließen von NA+-Kanälen

   • Hyperpolarisation der Membran

   • verringerte Freisetzung von hemmendenden Neurotransmittern

3. Verarbeitung in der Netzhaut

   • Bipolarzellen werden depolarisiert

   • Signal wird an Ganglienzellen weitergegeben welche es in ein Aktionspotential umwandeln

4. Weiterleitung ins Gehirn über sensorische Nerven

   • Axone der Ganglienzellen bilden den Sehnerv

5. Verschaltung im Gehirn

   • über den Thalamus zur primären Sehrinde im visuellen Cortex

6. Verarbeitung von ankommenden Signalen

   • Kanten, Bewegung, Farbe und Form wird analysiert

   • Verknüpfung mit dem Gedächnis

7. Interpretation des Gesehenen

   • beeinflusst von Kontext und Erfahrungen

1. Merkmalsanalyse

   verschiedenen Eigenschaften werden getrennt verarbeitet (Linien, Farben, Bewegung)

2. Integration

   Einzelinformationen werden zu einem Gesamtbild zusammengesetzt

3. Interpretation

   wird durch Erfahrungen, Erwartungen und Kontext beeinflusst

dauerhafte Veränderung der Informationsverarbeitung im Nervensystem durch Veränderungen an Synapsen oder der Verschaltung von Nervenzelle

1. Fähigkeit von Synapsen, ihre Übertragungsstärke langfristig zu verändern

2. Grundlage für Lernen, Gedächnis und Anpassung an Umwelt

3. Mechanismen

   • Verstärkung von Synapsen (Langzeitpotenzierung)

   • Abscgwächung (Langzeitdepression)

   • Neubildung von Synapsen

   • Veränderung von Netzwerken

• Ein Engramm ist die neuronale Spur einer Erinnerung im Gehirn, also die konkrete Veränderung im Nervensystem die durch Lernen entsteht.

• Das Engramm basiert auf synaptischer Plastizität

• Information wird in einem Netzwerk von Nervenzellen gespeichert

• Beim erinnern wird das gleiche neuronale Netzwerk wieder aktiviert

= Langzeitpotenzierung

-> dauerhafte Verstärkung der synaptischen Übertragung

1. wiederholte, starke Aktivierung einer Synapse

2. starke Depolarisation der postsynaptischen Membran

3. öffnung von durch Magnesium blockierten Ca2+ -Kanälen

4. intrazelluläre Signalkaskaden

5. Einbau zusätzlicher Na+ -Kanäle an der postsynaptischen Membran

6. Verstärkte Transmitterausschüttung an der prösynaptischen Membran

-> stärkere Reaktion auf gleiche Reize

= Langzeitdepression

-> Abschwächung der synaptischen Übertragung

1. schwache und seltene Aktivierung

2. weniger Rezeptoren

3. weniger Transmitterwirkung

-> Signal wird schwächer

• chemische Botenstoffe

• werden von Drüsen gebildet

• werden über das Blut transportiert

• wirken an Zielzellen

• regulieren Stoffwechselprozesse

Hormonsystem des Körpers

Hauptbestandteil sind Hormondrüßen:

• Hypothalamus

• Hypophyse

• Schilddrüse

• Bauchspeicheldrüse

-> arbeiten zusammen als Regulationssystem

1. Hormonfreisetzung

   ausgeköst durch:

   • Nervenimpulse

   • andere Hormone

   • Stoffkonzentrationen

2. Transport im Blut (bei nicht lokal wirkenden Hormonen)

3. Bindung an Rezeptor

   per Schlüssel-Schloss-Prinzip an Rezeptoren der Zielzelle

4. Wirkung in der Zelle

   • Lipophile Hormone: diffundieren durch die Zellmembran und wirken im Zellkern.

     beeinflussen die Genexpression und Proteinsynthese

   • Hydrophile Hormone: binden an Membranrezeptoren und wirken über Secound-Messenger

Negative Rückkopplung:

Endprodukt hemmt seine eigene Bildung