Aufbau und Funktion des ZNS

• AP kommt an in Präsynapse (Pfeil lila)

• Spannungsgesteuerte Kalzium Kanäle öffnen sich und Kalzium Ionen strömen in Präsynapse und lösen Freisetzung der Neurotransmitter aus 

• Bindung an PR: jenachdem was das für ein Rezeptor oder Transmitter ist werden exzitatorische oder inhibitorische Potentiale ausgelöst

• Ionotrope Rezeptoren = gleichzeitig Rezeptoren und Ionen Kanal

• Metabotrope = G Protein gekoppelte Rezeptoren (die über Aktivierung von G Protein ihre Wirkung entfalten und über z.B. sekundäre Botenstoffkaskaden Aktivität der Zielzelle modulieren)

• In den Vesikeln befinden sich Neurotransmitter (Botenstoffe)

• Vesikel befinden sich direkt an der Membran der Präsynapse (verschmelzen mit der Membran)

• Beim Eintreffen des AP: stülpen ihren Inhalt in den synaptischen Spalt aus

• Zentrales und Peripheres NS stehe in engen Austausch miteinander

• Nervenfasern, die Informationen vom ZNS zur Peripherie weg transportieren, werden als efferent bezeichnet, Fasern, die Informationen von Peripherie hin zum ZNS transportieren, werden als afferent bezeichnet

• aus Peripherie kommen Afferente Fasern und versorgen ZNS mit Infos darüber was in Peripherie passiert und umgekehrt (allerdings über Efferente Fasern)

Somatische Nervensystem

• der efferente Teil dient der willkürlichen Steuerung der Skelettmuskulatur

• der afferente Teil dient dem Bewusstsein zugänglichen Wahrnehmungen von Vorgängen an der Körperpherie (Sinneszellen der Muskeln, Gelenke, Haut, Augen, Ohren, Mundhöhle, Nase)

Autonomes Nervensystem

• steuert unbewusst und unwillkürlich die Funktionen der inneren Organe

-> sowohl somatische als auch vegetative NS haben Anteile im ZNS und im peripheren NS

• Efferenzen vom Gehirn in Peripherie um z.B. Muskulatir anzusteuern

• Anterior, ventral = vorne

• Posterior, dorsal = hinten

• lateral = seitlich

• Vororganisation des Gehirns auf Abbildung zu erkennen

• Große Hirnbereiche die wir voneinander trennen können

• Informationsverarbeitung im Gehitn: was kommt rein, wird integriert und Output wird generiert

1. Die Informationsverarbeitungssequenz im Gehirn ist in (Input) -> integrieren -> out (Output)

2. Sensorische und motorische Funktionen im gesamten Nervensystem sind getrennt. (Bell-Magendie-Gesetz)

3. Ein- und Ausgänge zum Gehirn sind gekreuzt (gekreuzte Inputs und Outputs)

4. Anatomie und Funktion des Gehirns weisen sowohl Symmetrie als auch Asymmetrie auf.

5. Das Nervensystem funktioniert durch ein Nebeneinander von Erregung und Hemmung

6. Das Nervensystem hat mehrere Funktionsebenen.

7. Gehirnkomponenten arbeiten sowohl parallel als auch hierarchisch

8. Funktionen im Gehirn sind sowohl in bestimmten Regionen lokalisiert als auch verteilt.

1. Die Informationsverarbeitungssequenz im Gehirn ist in (Input) -> integrieren -> out (Output)

-> Konvergente/ divergente Verschaltung

2.) Sensorische und motorische Funktionen im gesamten Nervensystem sind getrennt. (Bell-Magendie-Gesetz)

3.) Ein- und Ausgänge zum Gehirn sind gekreuzt (gekreuzte Inputs und Outputs)

• linke visuelle Feld wird in der rechten Hemisphäre verarbeitet und andersrum

4.) Anatomie und Funktion des Gehirns weisen sowohl Symmetrie als auch Asymmetrie auf.

• motorische Kontrolle: kann linken Arm normalerweise unabhängig vom rechten bewegen (Klavier spieel: Sind netkoppelkt und kann die unabhängig voeniander steuern)

• andere Bereiche haben nicht so eine bilaterale Orga wie z.B. Sprachproduktion: motorische Kontrolle typischerweise links lateralisiert (nur 1 Hauptsprachzentrum, auch wenn es symmetrisch aussieht)

5) Das Nervensystem funktioniert durch ein Nebeneinander von Erregung und Hemmung

• 6) Das Nervensystem hat mehrere Funktionsebenen.

• Stimulation von frontalen Augenfeld löst Blickbewegung aus, aber Stimulation von optischen Tectum im Mittelhirn löst auch Blickbewegung aus; wieso ein Zentrum für Sakkaden im Mittelhirn und nochmal Zentrum für Steuerung von BB im Kortex?  Evolution: älteren Strukturen wurden ergänzt und nicht ersetzt

• Verhalten gesteuert durch Mischung der evolutionär alten Sytsem

• Seriell: Kortex primäre sensorische Areale, und nochmal nachgeschaltete Areale

• typischerweise gleichzeitig beide Arten von Verarbeitung aktiv

• Hirnhäute umgeben Gehirn mit mehreren Schichten und schützen es vor äußeren Einwirkungen (Stürzen usw.)

• Wenn bei Störung (Schlaganfall) Blutversorgung unterbrochen wird, führt dies zu spezifischen funktionellen Ausfällen je nach Region

-> Handgelenkt entspricht Mittelhirn

• abseigende motorische Bahnen (Pyramidenkreuzung) -> Aufgabe besteht in der Steuerung der Willkürmotorik

• X = Hirnnerv

Buch:

• Die Medulla oblongata (verlängertes Mark) ist die unterste Struktur des Gehirns. Sie wird von den auf- und absteigenden Bahnen zwischen Gehirn und Rückenmark durchzogen.

• Von der Medulla oblongata aus werden wichtige Reflexe des vegetativen Bereichs gesteuert.

• Hier befinden sich auch verschiedene Hirnnervenkerne, deren wichtigster der Kern des Nervus vagus ist.

• Bei massiven Schädigungen im Bereich der Medulla oblongata tritt der Tod durch das Versagen von Herz-Kreislauf- und Atemfunktionen ein

• Kerngebiet = Ansammlung von Neuronen

• Kortex hat spezialisierte Kortikle Areala

• Subkortikal: spricht eher von Kerngebieten und weniger von Arealen

• gibt 12

• Funktion: Sensorische und motorische…

• Hirnnerven mit niedrigeren Zahlen haben Kerbgebiete eher in Rostralen Bereichen

• höhere Hirnnerven: Kerngebeite in Kaudalen Bereich (Medulla)

• Vagus Nerv: spielt bei Regulation der Stressantwort und Reaktion des AN wichtige Rolle (Steuerung der Organfunktion verläuft über diesen Nerv)

• Die Brücke beheimatet verschiedene Kerne von Hirnnerven, die v. a. den Kopfbereich versorgen

• Zerebellum: erhält Verbindung von allen auf- und absteigende motorischen Bahnen; Spielt wichtige Rolle bei Steuerung der Feinmotorik

• Cerevellum und kognitive Funktionen: Kleinhirn hat wichtige Funktion bei der klassischen Konditionierung und beim Erlernen von automatisierten Handlungsabläufen (impliziertes Lernen)

• Substantia Nigra (Dopamin Neuronen)

• Strukturen, die zum retikulären Aktivierungssystem dazugehören

 Mittelhirn: Tegmentum (ventral)

Einige wichtige Strukturen des Tegmentums:

• Substantia Nigra / Ventrales Tegmentales Areal: enthalten dopaminerge Neurone -> wichtig für motorische & motivationale Prozesse (Bewegungssteuerung)

• Nucleus ruber (red nucleus) -> Teil des motorischen Systems

• Zentrales Höhlengrau / periaquäduktales Grau (periaqueductal grey) ->Teil des nociceptiven Systems; produziert Enkephaline (endogene Opiate) -> Modulation von Schmerzreizen -> spielt wichtige Rolle bei Schmerzwahrnehmung und unterdrückung von Schmerzimpulsen

• Kerngebiete des III. und IV. Hirnnerves (Augenbewegungen) -> Hirnnerven zuständig für Augenbewegungen, Akkomodation

• Sensorische Strukturen liegen eher dorsal und motorische eher ventral (dies besagt das Gesetz)

Buch:

• Der Thalamus dient als wichtiges sensorisches Um-

  schaltzentrum, das die Information aus den Sinnes-

  organen filtert

• Topische Organisation der Information wird beibehalten = Bei der Weitergabe sensorischer Information an höhere Gehirnregionen wird die topographische Struktur der Information, also deren Repräsentation im Raum, weitgehend bewahrt

Thalamus ist eingebunden in verschiedene Schleifen —> Frontostriatal Streifen, Papez Kreis

• Verbindungen zum Kortex, limbischen System, Basalganglien

Wichtige Verbindungen des Thalamus zu höher gelegenen Gehirnstrukturen:

• Sehrinde

• Hörrinde

• Limbisches System

• Assoziations Areale

• Motorischer Kortex

• Somatosensibler Kortex

• Nucleus Anteriores (Papez Kreis)

• Darstellung der verschiedenen Kerngebiete des Thalamus

• spielt wichtige Rolle bei Rgeulation von Körperprozessen und Verhalten

• Der Hypothalamus erhält sensorische Informationen (Netzhaut, innere Organe, Bewgungsapparat, Hormonsystem, Riechsystem) sowie von höheren psychischen Vorgängen (Motivation, Emotion -> Neokortex, Amygdala, Hippocampus)

• Diese Informationen werden integriert und aufgrund dessen werden Verhaltensprogramme angestoßen und hormonelle und vegetative Prozesse in Gang gesetzt 

Hypothalamus – einige wichtige Kerngebiete & Funktionen

• Nucleus Praeopticus: Regulation von Körpertemperatur & Sexualverhalten

• Nucleus Paraventricularis: Regulation von Stressantwort & Stoffwechsel

• Nucleus Suprachiasmatikus: Regulation der zirkadianen Ryhthmik ->Epiphyse (Melatonin)

• Nucleus Supraopticus: Regulation des Wasserhaushaltes

• Mammillarkörper: Gedächtnis (-> gehören zum Papez-Kreis und spielen Rolle bei Gedächnisprozessen)

• Stressreaktion & Hormonsystem: separate Sitzung

  
  

  Zwei Beispiele werden wir genauer betrachten:

• Regulation von Nahrungsaufnahme

• Rolle bei der Steuerung von Aggression

• Gehirn wird u.a auch beeinflusst durch Hunger- und Sättigungssignale die Gehirn erreichen aus Periphere (aus inneren Organen, Fettzellen usw.)

• Zur Abbildung: Nach Nahrungsaufnahme steigen Sättigungssignale n und fallen langsam ab

• Hungersignale: Fallen direkt nach Nahrungsaufnahme ab und steigen anschließend wieder an (Gegenläufiger Effekt der Signale)

• Effekt an OB Gen führt dazu das Leptin Produktion gestört ist

• Ganz starkes Übergewicht in Tieren mit genetischen Defizit -> lässt sich durch Leptin Behandlung wieder umkehren

• weiterer Hiwneis das Leptin ein im Blutkreislauf zirkulierendes Hormoneller Botenstoff ist kommt daher, dass wenn mna Fusion macht von 2 Tieren (eine normale und einer Maus mit Leptin Defizi)

• wenn der Botenstoff in beiden Toeren zirkulieren kann weil sie fusioniert werden dann wird auch dieses Übergwicht in der OB Maus stark runterreguliert

• Hiwneis darauf das etwas im Blutkreislauf der normalen Maus moderierend auf das Übergewicht in der OB Maus wirken  

• Hinweis das eteas im Blutkreislauf eine Rolle spielt

• Rezeptoren haben sich evtl. zurückgesetzt

• NS passt sich an strake Freisetzung von starken Botenstoffen an und reguliert die Empfindlichkeit

• Hypothalamus hat Rezeptoren für beide Botenstoffe

• Werden in  den Blutkreisluaf freigesetzt und erreichen Gehirn

• Ghrelin wird im Magen und Leptin in Fettzellen freigesetzt

• Hypothalamus erhält so Infos darüber, was der Sättigungs- und Hungerstatus des Körpers ist

• Aktivierung dieser Neuronen werden durch Krelin aktiviert und druch Leptin gehemmt -> Aktivität im Schaltkreis wird bei Krelin Freisetzung hoch reguliert und bei Leptin Freisetzung runter

Abbildung: Schematische Darstellung der Prozesse, die zur Empfindung von Hunger führen

• Darin dargestellt sind die hypothalamischen Kerne Nucleus arcuatus (N. arc.), Nucleus paraventricularis (PVN) sowie der laterale Hypothalamus (LHyp), die alle seitlich des III. Ventrikels im Hypothalamus liegen.

• Ein Abfallen des Leptin- und ein Anstieg des Ghrelinspiegels im Blut (Magen ist leer) aktivieren die Zellen des Nucleus arcuatus, die sowohl NPY als auch AGRP als Neurotransmitter freisetzen.

• Dadurch wird der PVN aktiviert, der wiederum die Freisetzung der Hormone TSH und ACTH hemmt. Dies führt zu einer Reduktion des Stoffwechsels und der Körpertemperatur.

• Gleichzeitig werden die MCH- und Orexinneurone des lateralen Hypothalamus aktiviert. -> Nahrung wird gesucht und gegessen, Essen wird als belohend empfunden

Unten links Abbildung:

• Direkte Infusion von Krelin in VTA -> direkt danach steigt Dopaminspiegel dramatisch an

• Ähnlicher Effekt wenn Krelin systemisch gegeben wird in Blutkreislauf und nicht in VTA (Abbildung rechts)

• Systemische Gabe von Krelin führt auch zu Anstieg der Dopaminfreisetzung

• Aktivierung des Krelin ist Effekt der Motivation zur Nahrungsaufnahme vermittelt

• Abbildung: Differenz geplotted (rechts) für Essens vs. Landschaftsbilder

-> Areale die mit Emotionen usw. zusamenhängen: Aktivierung für Essensbilder nach Krelingabe steigt dramatisch an (rot: Differenz nach Kochsalzinfusion), Blau nach Krelininfusion)

• Beutefang (predatory aggression): Beute wird zur Nahrungsbeschaffung getötet, natürliches Jagdverhalten

  -> Katze schleicht sich an Maus heran und tötet sie mit einem gezielten Biss.

• Aggression (affective aggression): Drohangriff zur Abwehr eines Feindes -> Katze macht einen Buckel, fletscht die Zähne und faucht.

• Amygdala-Stimulation kann einige Aspekte aggressiven Verhaltens in Katzen auslösen (Roldan et al., 1974)

• Stimulation des Thalamus bei Katzen kann ähnliche Effekte haben

Hypothalamus & Hypophyse

• Hypothalamus steuert Hormonausschüttung über die Hypophse (eigene Sitzung dazu)

• Die Zirbeldrüse (Epiphyse) ist für die Schlaf-Wach-Regulation zuständig.

• Die Epiphyse schüttet nachts Melatonin aus und ohne dieses Hormon ist unser Nachtschlaf deutlich gestört.

Endhirn (Telencephalon)

• Kortex (Isokortex + Allokortex)

• Endhirnkerne (Basalganglien)

• Die Basalganglien sind Endhirnkerne, d. h. Ansammlungen von Nervenzellkörpern im Bereich des Endhirns.

Kerngebiete (Zuordnung):

• Striatum (Nucleus Caudatus, Nucleus Accumbens, Putamen)

• Pallidum (Globus Pallidus)

Basalganglien

• Unter anderem wichtige Rolle bei Regulation von Motorik und motiviertem Verhalten

Kernprinzip der Verschaltung:

• frontostriatale Schleifen

• kortiko-striato-thalamo-kortikale Schleifen

• Basalganglienkerne/Endhirnkerne sind durch frontostriatale Schleifen und kortiko-striato-thalamo-kortikale Schleifen mit dem Rest vom Gehirn verbunden

• direkter Pfad wirkt stimulierend (zweimalige Hemmung -> Wirkung auf den Thalamus: aktivitätssteigernd)

• indirekter Pfad wirkt hemmend (Hemmung an drei Stellen —> Wirkung am Thalamus: aktivitätsdämpfend)

• Verschaltungsprinzip am Bsp. des motorischen Kortex

• Primäre motorische Kortex sendet Verbindung  ins Striatum durch und wieder zurück zum Thalamus in den Kortex (vereinfachte Darstellung)

• gesa,mte Frontalhirn hat Schleifenstruktur/ Verschaltung mit Striatum

Rechts:

• Ein Querschnitt durch Basalganglien

Ventrale Bereiche

• Eher bereiche zu ventralen Striatum und dorsal mehr Verschaltung zum Dorsalen Striatum

• Aber Prinzip/Verschaltungsmuster immer das gleiche: von Frontalhirn ins Striatum  über Thalamus und wieder zurück

•  Zwei Pfade die durch Striatum durchgehen : direkt und indirekt

• D2: Sind Dopamin D2 Rezeptoren

• Aktivierung von direkten Pfad führt dazu das die damit verbundenen kortikalen Areale hochgefahren werden und Aktivierung vom indirekten Pfad führt dazu, dass die damit verbundenen kortikalen Areale gehemmt werden

-> Dopamin spielt zentrale Rolle

• Dopaminerger Input kommt rein; kann die Aktivität in den Pfaden regulieren

• Im direkten Pfad: exzitatorische D1 Rezeptoren; indirekt D2 Rezeptoren

• Gesteigerte Dopaminfreisetzung führt zur Aktivierung des direkten Pfades und zu Hemmung des indirekten Pfades (Also in der Summe gesteigerte Erregbarkeit des entsprechenden Kortex Bereiches)

• Resultat des Rückgangs in dne dopaminergeren Input in den frontostriatalen Schleife

• direkte Pfad wird weniger aktiviert und indirekter Pfad wird weniger gehemmt 

• Direkter Pfad aktiviert damit verschalteten Kortex Bereich, Indirekter hemmt diesen

• Dopamin aktiviert direkten und hemmt den indirekten der wiederum hemmend auf den Kortex Bereich wirkt

Unten: Neurodegenerationen von Patienten mit z.B. MP

• Strake Effekte dadaurch (Video zu Mann der aufhört zu zittern)

• Wird im indirekten Pfad stimuliert -> Stimuliert = Aktivität die dort natürlich abläuft wird getsört)

• Glob.pall.pars.int. wird gehemmt und hemmt wieder Thalamus

• Aktivieren Hemmung des Thalamus im Normalzustand

• Aber: Stimulieren, also wir interferieren also mit Funktion des Subthalamischen Nukleus

  -> exzitatorische Input fällt weg, führt dazu das auch diese Hemmung des Thalamus runter geht

• Thalamus wird enthemmt

  -> damit verbundene Kortex Bereich wird stärker aktiv

Chorea Huntington

• Autosomale Erbkrankheit, „Veitstanz“, Huntington‘s disease

• Erkrankungsalter 30. – 50. Lebensjahr

• Atrophie (Schrumpfung/Zellverlust) im Striatum, später auch im Kortex

• psychische Symptome: depressive Verstimmungen, Reizbarkeit, kognitive Beeinträchtigungen

• motorische Symptome: überschießende/ruckartige Bewegungen (Hyperkinesie)

• Neuronne sterben ab

Rechts erkrankte Seite, links gesund

• Links: sehen striatale Strukturen noch gut

Chorea Huntington vs. Morbus Parkinson

• Unterschiedliche Störungen des Basalganglienschaltkreises

• Morbus Parkinson: DA-Mangel -> abgeschwächte Disinhibition des Thalamus -> Reduktion kortikaler Erregbarkeit -> Hypokinesie

• Chorea Huntington: Degeneration striataler Neurone -> abgeschwächte Hemmung des Thalamus -> Hyperkinesie