Neurophysiologie
1) Funktionelle Anatomie
2) Entstehung nervaler Potentiale
3) Erregungsfortleitung
4) Synaptische Übertragung
5) Transmitter und Reflexe
6) Vegetatives Nervensystem
Soma mit Zellkern
Axon
Synapse
Anatomische & Morphologische Grundlagen
Dendriten
Präsynapse,
Endknöpfchen
1
Axon-
hügel
5
3
4
2
Aufgaben des Nervensystems
Nerven
dienen der Wahrnehmung der Umwelt und der Aufnahme von
Informationen
filtern, verarbeiten und speichern Informationen
Steuern die Funktion der Zielorgane
Interagieren mit anderen Systemem, wie z.,B mit dem endokrinen
System
Aufbau des Nervensystems
Nervensystem
Reizaufnahme
Verarbeitung und Speicherung = Integration
Weitergabe an ausführende Strukturen
Aufbau des Nervensystems
Nervensystem
Reizaufnahme
Verarbeitung und Speicherung = Integration
Weitergabe an ausführende Strukturen
Sensorischer Eingang
Motorischer Ausgang
Aufbau des Nervensystems
Die zwei Grundbausteine des Nervensystems sind:
1) Neurone (= Nervenzellen)
Funktion: Integration und Weiterleitung von Impulsen
Aufbau: Zellkörper (Soma) mit Zellkern
Dendriten (Aufnahme von Impulsen)
Axon (Weiterleitung und Übertragung der Impulse an den
synaptischenEndigungen)
anhand ihrer Lage in Bezug auf die Synapse unterscheidet man prä-und
postsynaptische Zellen.
2) Gliazellen (= Stützzellen)
Funktion: Elektrische Isolierung
strukturelle und metabolische Stabilisierung der Neurone
führen wachsende Neurone ans Ziel
haben Immunfunktion
sind an synpatischer Verschaltung beteiligt
Aufbau: Zellkörper mit Zellkern
Plasmamembran umwächst das Axon (= Myelinscheide)
zwischen den Zellen Ranvierschnürringe
Aufbau des Nervensystems
Neurone werden in drei Gruppen eingeteilt:
Rezeptorzelle
1. Sensorische
Neurone
2. Interneurone
3. Motorische
Neurone
Re
izle
itu
ng
Empfangen Signale von Rezeptorzellen und
leiten sie an andere Neurone weiter
Übertragen Signale von einer Nervenzelle zur nächsten
Übertragen Signale des Nervensystems
auf die Effektorzelle
Funktion der Neurone
Neurone besitzen gesteuerte Ionenkanäle, die sich auf
einen Reiz hin öffnen oder schliessen:
Funktion der Neurone
Die Auswirkungen der Öffnung eines gesteuerten
Ionenkanals hängt vom Ionenkanal und insbesondere der
Verteilung der Ionen ab (intra- versus extrazellulär)
Reiz öffnet
Kaliumkanal
Hyperpolarisation
Reiz öffnet
Natriumkanal
Depolarisation
Ca++
Ca++
Calciumeinstrom
Reiz öffnet
Calciumkanal
Depolarisation
K+
K+
Reiz öffnet
Chloridkanal
Hyperpolarisation
Chlorideinstrom
Cl-
Cl- -
extrazellulär
intrazellulär
K+ A
-
A-
A-
A-
A-
A-
A-
K+
K+
K+
K+
K+
K+
K+ K+
K+
K+ K+
K+
K+ Na+
Na+ Na+ Na+
Na+
Na+
Na+
Na+ Na+
Na+
Na+
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl- neutral
neutral
Das Membranpotenzial. Kalium Leckströme und Na/K Pumpe
K+
Na+
Na / K -
Pumpe
K+ = 160 mmol/L
Na+ = 7 mmol/L
Cl- = 7 mmol/L
K+ = 4,5 mmol/L
Na+ = 144 mmol/L
Cl- = 114 mmol/L
extrazellulä
r
intrazellulär
extrazellulä
r
intrazellulär
Das Membranpotenzial hängt ab von der Membran-Permeabilität
(Anzahl der offenen, also leitenden Kanäle). http://www.blackwellpublishing.com/matthews/animate.html
-55mV
AP- Schwelle K+ K+ Na+
1 msec
K+ K+ Na+
K+ Na+ K+
K+ K+ Na+
extrazellulä
r
intrazellulär
K+ Na+ K+
K+ K+ Na+
delayed rectifier K-Kanal schneller Na-Kanal
extrazellulä
r
intrazellulä
r h-TOR
1) Ruhe
extrazellulä
r
intrazellulä
r
m-TOR
extrazellulä
r
intrazellulä
r
m-TOR n-TOR
m-TOR n-TOR
2) AP
3) kurz nach
Na-Kanal
Öffnung
h-TOR
K+
Na+ h-TOR
Aktivierungstor
Inaktivierungstor
Das Öffnen und Schließen von Membrankanälen
n-TOR
Zelle aktivierbar
Zelle aktiviert
Zelle absolut refraktär
extrazellulä
r
intrazellulä
r
+
Die absolute und relative Refraktärzeit
-55mV
AP- Schwelle
- - - - - -
K+
+ + + + + +
absolut refraktär
relativ refraktär
voll erregbar
extrazellulär
intrazellulär
K+ A-
A-
A-
A- A
-
A-
A-
K+ K+
K+ K+
K+ K+
K+ K+
K+ K+
K+
K+
K+
Na+
Na+ Na+
Na+ Na+
Na+ Na+
Na+
Na+ Na+
Na+
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Na-Kanäle schließen und öffnen spannungsabhängig: [+/-]extrazellulär normal
extrazellulär
intrazellulär
K+ A
-
A-
A-
A- A
-
A-
A-
K+ K+ K+
K+
K+ K+
K+ K+ K+
K+
K+
Na+
Na+ Cl
-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
K+
K+
Na+
Na+ Na+
Na+ Na+
Na+
Na+
Na+ Na+ Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Na-Kanäle schließen und öffnen spannungsabhängig: [+]extrazellulär
Na-Kanäle
kontinuierliche Erregungsleitung - nicht myelinisierte Fasern
Axonale Erregungsausbreitung
saltatorische Erregungsleitung - myelinisierte Fasern
Demyelinisierung [Multiple Sklerose]
Axon
Einteilung der Nervenfasern nach Erlanger und Gasser
Bezeichnun
g
Durchmesser
[µm]
Reizleitung
[m/sek]
Beispiel
Aα 12-20 70-120
Motorische Fasern – Skelettmuskulatur
Mechanosensitive Fasern der Haut Aβ 5-12 30-70
A 3-6 15-30
Aδ 2-5 12-25 Nozizeptive Fasern, Mechanosensoren
B 1-3 1-3 Viszeroefferente und Viszeroafferent Fasern
C
0,3-1,3
0,5-2,3
Marklose Fasern, die Temperatur, Schmerz,
und andere Wahrnehmungen aus
somatischen und viszeralan Bereichen leiten
Unterbrechung der Signalweiterleitung
Tetrodotoxin (Nervengift) blockiert
schnelle Natriumkanäle und damit
die axonale Weiterleitung.
Lidocain (Lokalanästhetikum) hemmt
reversibel schnelle Natriumkanäle
und hemmt dadurch die axonale
Weiterleitung
Synaptische Übertragung
Präsynapse
Postsynapse
(Membran der Zielzelle)
Synaptischer
Spalt
http://www.williams.edu/imput/synapse/pages/introduction_main.html
Synaptische Übertragung
Sudhof
http://www.sumanasinc.com/webcontent/animations/content/synaptictransmission.html
http://www.williams.edu/imput/synapse/pages/introduction_main.html
http://www.pbs.org/wnet/closetohome/animation/neuron.html
http://outreach.mcb.harvard.edu/animations/synaptic.swf
http://bcs.whfreeman.com/thelifewire/content/chp44/4403s.swf
Auswirkungen einer synaptischen Aktivierung
Es gibt zwei Arten von Synapsen:
1) erregende (= exzitatorische) Synapsen
Funktion: depolarisieren die postsynaptische Membran und lösen ein
exzitatorisches postsynaptisches Potenzial (EPSP) aus.
2) hemmende (= inhibitorische) Synapsen
Funktion: hyperpolarisieren die postsynaptische Membran und lösen
ein inhibitorisches postsynaptisches Potenzial (IPSP) aus.
Welche der beiden Funktionen eine Synapse hat hängt von der
Kombination verschiedener Faktoren ab!!!
Art des Neurotransmitters
Rezeptortyp und Ionenkanal
http://www.blackwellpublishing.com/matthews/neurotrans.swf
Na+
K+
extrazellulär
intrazellulär
Na+
K+
Glutamat
AMPA-
Rezeptor
NMDA-
Rezeptor
Glycin
Bindungsstelle
Phencyclidin-
Bindungsstelle
Mg++-Bindungsstelle
EPSP
Erregende Postsynaptische Potentiale (EPSP): der Transmitter Glutamat
Die postsynaptische Antwort
Ca++
extrazellulär
intrazellulär
GABA Glycin
Cl_
50 msec
IPSP
Cl_
Inhibitorische Postsynaptische Potentiale (IPSP): die Transmitter GABA und Glycin
(γ-Aminobuttersäure)
Bindungsstelle
für Alkohol u.
Anästhetika
Alkohol u. Anästhetika
Bindungsstelle
GABAA-
Rezeptor
Glycin-
Rezeptor
Barbiturat-Bindungsstelle
Benzodiazepin-,
DBI- Bindungsstelle
Steroid- Bindungsstelle
E1 E2 I1 I2 Axonhügel [Membranpotenzial mV]
0 0 0 0 -70 mV
aktiv 0 0 0 __
0 aktiv 0 0 __
0 0 aktiv 0 __
aktiv 0 0 aktiv __
E2 E2 I1 I2 Axonhügel [Membranpotenzial mV]
aktiv aktiv 0 0 __
Räumliche und zeitliche Summation synaptischer Potenziale
Axonhüg
el
E1 E2
I1
I1
Synaptischer Input Abstand zu Axonhügel
E1: 35 mV 0,3 mm
E2: 28 mV 0,5 mm
I1: 10 mV 0,3 mm
I2: 30 mV 0,1 mm
Für alle gilt: 3 mV Abnahme pro 0,1 mm
Signalverarbeitung vom Sensor zum Effektor
Vom amplitudencodierten Rezeptorpotenzial zum frequenzcodierten Signal
Muskelfaser
Kernsack
faser
Kernketten
faser
Bindegewebe
Ia Afferenz
γ Motoneuron
α Motoneuron
Muskelspindel
Reflexverschaltung
Rhenshaw Zellen
Reflexverschaltung: Regulation der Muskellänge (Flexor + Extensor)
durch Muskelspindeln
Muskelspindel
Muskelfasern
Reflexverschaltung: Regulation der Muskelspannung (Flexor + Extensor)
durch Golgi-Sehnenorgane
Knochen
Sehne
Axon
Bindegewebe
fasern
Muskelfaser
Kapsel
Ib Afferenz
Golgi
Sehnenorgan
Reflexverschaltung: Regulation der Muskelspannung des Agonisten
und Antagonisten
http://www.bio.vobs.at/physiologie/a-neuro5-2.jpg
Vegetatives Nervensystem: Sympathikus und Parasympathikus
Aufrechterhaltung
autonomer
Funktionen -
Homoeostase
Die Neurotransmitter des Sympathikus und Parasympathikus
Die zwei Rezeptoren für Acetylcholin
Die Rezeptoren für Noradrenalin
Die Neurotransmitter des Sympathikus und Parasympathikus
COMT: Catechol-O-Methyltransferase
MAO: Monoaminooxidase
Präsynaptische Wiederaufnahme von Noradrenalin
1 2
3