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Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 6. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“
Wie eine Nervenzelle funktioniert
und Konstruktion einer künstlichen Nervenzelle
Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet
Riechsinneszelle im Grubenkegel einer Wanderheuschrecke
Antwort auf einen Duftreiz
Impulsfrequenzcodierung am Ausgang einer Riechsinneszelle
Nucleus
SynapseDendrit
Soma
AxonMyelin
Neuron - Biologische Bezeichnungen
Das Gehirn besitzt ungefähr 10 000 Synapsen pro Nervenzelle
Das Gehirn besitzt ungefähr 100 000 000 000 Nervenzellen
Dendri
t
Soma EncoderAxon
Chemisch gesteuerte Membran
Elektrisch gesteuerte Membran
+ Synapse
– Synapse
Aufbau einer Nervenzelle
Synaptische Bläschen
Axon
Synaptischer Spalt
Postsynaptische Membran
Präsynaptisches Gitter
Synapse
Na -Tor+
EPSP Erregendes Post-Synaptisches Potenzial
Transmitter
mV-50
-60
-70
-80
-90
t
mV mV mV
EPSP
IPSP≈ 10 ms
Form eines EPSPs und eines IPSPs
Soma Encoder
Axon
Dendri
t
PSP PSP > 50mV
Membran
Signalmolekül(Transmitter)
Rezeptor
V
Ionen
Chemisch gesteuerte Membran
Magnetspule
AufgeprägteSpannung
Stabmagnet
Membran
VElektrisch gesteuerte Membran
Ionen
Membrantypen
70
60
50
40
30
80
90
Signalverarbeitung in einer Nervenzelle
Signalverlauf am Axonhügel (Encoder)
geschlossen offen
Depolarisation
Repolarisation
2 bis 5 ms 1 bis 2 ms
m-Gate
h-Gate
1. Das spannungsabhängige m-Gate ist zu, das spannungs-unabhängige h-Gate ist offen.2. Depolarisation führt zu einer Konformationsänderung des m-Gates. Na-Ionen strömen in die Zelle.3. Die Aktivierung führt nach 1-2 ms zur Schließung des Inaktivierungstores (h-Gate).4. Repolarisation führt zum Schließen des m-Gates. Beide Tore sind zu.1. Die Konformationsänderung des m-Gates führt nach 2-5 ms (Refraktärzeit) zur Öffnung des h-Gates.
Spannungsgesteuerter Na-Kanal mit 2 Toren
1 2
34
Mechanisches Modell für ein Transmitter gesteuertes postsynaptisches Ventil
Transmittermolekül Acetylcholin
CholinEssigsäure
Acetylcholin-Esterase
MagnetN S
Der Na-Einstrom käme erst bei einer Spannungs-differenz von + 60 mV zum Stillstand (10 in das Testvolumen eindiffundierte Natriumionen). Aberdurch Abnahme der elektrischen Gegenkraft, diezuvor das Ausströmen weiterer Kaliumionen ver-hinderte, diffundieren nun weitere Kaliumionenzellauswärts.
Der Natrium-Ioneneinstrom kannnur eine Spannung von + 30 mV aufbauen.
Rezeptorzellen adaptieren, wenn der Reiz länger anhält. Der Natriumioneneinstrom wird gesperrt,und der intrazelluläre Überschuss an Kaliumionen stellt das Ruhepotential wieder her. Die in die Zelle eindiffundierten Natriumionen unddie aus der Zelle gelangten Kaliumionen werdendurch eine stoffwechselgetriebene gekoppelte Na-trium-Kalium-Pumpe wieder zurücktransportiert.
von -70 mV
Wie entsteht ein Rezeptorpotenzial ?
Ein Reiz verändert die Durchlässigkeit der Zell-membran, hier die Durchlässigkeit für Natrium- ionen. Extrazelluläre Natriumionen diffundieren schlagartig in das Zellinnere. Die Spannungsteigt an. Ein mechanischer Reiz könnte dieMembranporen durch Deformation öffnen, ein chemischer Reiz durch Anbindung der Signal-moleküle an Membranschlösser aufschließen.
mV
+30 mV
-70 mV
ReizNerven- und Sinneszellenpotenziale entstehendurch Ionenströme, die durch veränderliche Po-ren der Zellmembran fließen. Um die Zahlenver-hältnisse der beteiligten Ionen zu veranschauli-chen, wird eine Volumenelement betrachtet. DieZellmembran teilt dieses Volumen in zwei gleichgroße Hälften von 1 m Länge, 1 m Höheund 0,001 m Tiefe.
Im intrazellulären Testvolumen von 10 mmbefinden sich 100 000 + 6 Kaliumionen, 10 000Natriumionen, 2 200 Chloridionen und 107 800+ 6 negativ geladene Aminosäuremoleküle. Dasgleich große extrazelluläre Testvolumen enthält2 000 Kaliumionen, 108 000 Natriumionen und110 000 Chloridionen. Wir messen die Span-nungsdifferenz 0V.
-12 3
Die Zellmemran besitzt Poren, durch die die Ka-liumionen hindurchgelassen werden. Wegen derKonzentrationsdifferenz beginnen Kaliumionennach außen zu diffundieren. Es baut sich eineelektrische Gegenkraft auf. Bei 6 aus dem Test-volumen herausdiffundierten Kaliumionen ist die-se Gegenkraft im Gleichgewicht mit der Diffusi-onskraft. Wir messen eine Spannung von -90 mV.
Die Zellmembran besitzt einige Poren, durch dieauch die größeren Natriumionen hindurchtretenkönnen. Wegen der höheren extrazellulären Na-triumkonzentration diffundieren langsam Natrium-ionen in das Zellinnere. Andererseits fördert einevom Stoffwechsel betrieben Natriumpumpe Natri-umionen nach außen. Es stellt sich eine neue Gleichgewichtsspannung von -70 mV ein.
0 mV
100 000 +
10 000
2 200
107 800 +
K
NaCl
A
+
+ 2 000 K+
108 000 Na+
110 000 Cl
-90 mV
-70 mV
Wie entsteht ein Ruhepotenzial ?
0 mV
100 000 +
10 000
2 200
107 800 +
K
NaCl
A
+
+ 2 000 K+
108 000 Na+
110 000 Cl
-90 mV
-70 mV
Wiederholung
Der Na-Einstrom käme erst bei einer Spannungs-differenz von + 60 mV zum Stillstand (10 in das Testvolumen eindiffundierte Natriumionen. Aberdurch Abnahme der elektrischen Gegenkraft, diezuvor das Ausströmen weiterer Kaliumionen ver-hinderte, diffundieren nun weitere Kaliumionenzellauswärts.
Der Natriumioneneinstrom kannnur eine Spannung von + 30 mV aufbauen.
Nervenzellen adaptieren, wenn die Depolarisationlänger anhält. Der Natriumioneneinstrom wird ge-sperrt und der intrazelluläre Überschuss an Kali-umionen stellt das Ruhepotential wie- der her. Die in die Zelle eindiffundierten Natriumio-nen und die aus der Zelle gelangten Kaliumionenwerden durch eine stoffwechselgetriebene Natri-um-Kalium-Pumpe wieder zurücktransportiert.
von -70 mV
Wie entsteht ein Nervenimpuls ?
Wir vermindern die Spannung des Ruhepotentialskünstlich durch Anbringen einer externen Span-
-50 mV. An der Membran tritt eine Instabilität auf. durchlässigen Porenfür Natriumionen erhöht sich um ein Vielfaches.Extrazelluläre Natriumionen diffundieren schlag-
innere. Die Spannung steigt bisin den positiven Bereich an
nungsquelle auf Die Zahl der
artig in das Zell
+30 mV
70 mV
Depolarisierung
50 mV
Fortleitung eines Nervenimpulses
-70 mV-45
Fortleitung eines Nervenimpulses
Zündschnur
Dominosteine
Analogien zur Impulsfortleitung in einer Nervenfaser
Die Größe der Synapse bestimmt die Zeitkonstante (für zeitliche Summation)
Die Entfernung der Synapse vom Axonhügel bestimmt die Potenzialhöhe (für räumliche Summation)
Evolutionsfähigkeit eines Neuronennetzwerkes
VZ1
U
F
VZ1
Synapse
Synapse
Soma Encoder
Nachbau eines NeuronsVZ1
U
Spannungs-Frequenzwandler mit Schwellwertcharakteristik
F
VZ1-Glied (Linearspeicher)
Gewichtung
VZ1
VZ1
Bionik-Neuron
VZ1
VZ1
VZ1
U
F
F
UDas Berliner Neuronenmodell
h (t0 )
hv
thvdd 0
dd kh
thlin. DGL
)(0
0e)()(ttk
thth
v
Mechanisches VZ1-Verhalten
Elektrisches VZ1-Verhalten
= RefraktärzeitTR
TR
Rechenoperation mit einem Neuron
Impulsvervielfachung
-50mV
-70mV
fe
fa
n fefa .
Rechenoperation mit einem Neuron
Impulsaddition
-50mV
-70mV
fe1
fe2
fa
fe1 fe2fa +
Rechenoperation mit einem Neuron
Impulsmultiplikation
-50mV
-70mV
fe1
fe2
fa
fe1 fe2fa k. .
Impulsverarbeitung in einem Neuronalen Netz
H1
H3
H2
E
Inhibitorischer Neuronenring
Hemmung größer als Erregung !
H1
H3
H2
E
Inhibitorischer Neuronenring
Hemmung größer als Erregung !
Ende
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