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N1 - Neuronale Erregung - Entstehung, Leitung und Übertragung

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Präsentation zum Thema: "N1 - Neuronale Erregung - Entstehung, Leitung und Übertragung"—  Präsentation transkript:

1 N1 - Neuronale Erregung - Entstehung, Leitung und Übertragung
Ruhemembranpotential Aktionspotential und wichtige Eigenschaften von Neuronen, Entstehung von Feldpotentialen und extrazelluläre Ableitung Leitungsgeschwindigkeit von Nervenfasern und Fortleitung elektrischer Signale (saltatorische und kontinuierliche Erregungsleitung) Myelinscheide und Demyelinisierungserkrankungen Evozierte Potentiale Synaptische Übertragung im ZNS (Transmitter, Rezeptoren)

2 Ruhemembranpotential
Intrazellulär Extrazellulär Lipid Doppelschicht Na+/K+-ATPase -60 bis -75 mV Ruhemembranpotential Ionenverteilung im Intra- und Extrazellulärraum unterschiedlich Ionenkanäle für Na+, K+, Cl− und Ca2+, unterschiedliche Öffnungs-charakteristika Elektrogene Ionenpumpe: Na+–K+-ATPase Gleichgewichtspotentiale (EX) in mV und Konzentrationen in ( ) in mM für ein typisches Säugetierneuron EX= GHK: Die wesentlichen Ionen Na, K und Ca sind über die Zellmembran ungleich verteilt. Die Zellmembran ist für diese Ionen unterschiedlich permeabel. Diese ungleiche Verteilung wird durch aktive Transportmechanismen wie und v. a. die Na+-K+-ATPase aufrecht erhalten. Die passiven Ströme der Ionen durch die Kanäle erzeugen Diffusionspotentiale über der Membran. Gleichgewichtspotential. Elektrochemischer Gradient. Voltmeter = Messverstärker Im Ruhezustand ist die Zellmembranleitfähigkeit für K+ normalerweise wesentlich höher als für alle anderen Ionen. Daher wird das Membranpotential hauptsächlich durch EK+ bestimmt. In Ruhe fließt kein Netto-Strom, das Membranpotential ist daher stabil (Ruhemembranpotential). Dieser Zustand wird "steady state" genannt. Es ist kein Gleichgewicht im thermodynamischen Sinn. Es wird ja ATP verbraucht. Die ATPase verbraucht ca. 40% des Energie-Grundumsatzes. Sie arbeitet allerdings im h-Bereich. Sie ist somit Voraussetzung hat aber keinen unmittelbaren Einfluss auf das AP. Die Differenz zwischen Membranpotential Em und dem nach der Nernst-Gleichung für jedes Ion errechneten Gleichgewichtspotentials Ex (Em-Ex) ist die elektromotorische Treibkraft (EMK) für den passiven Ionenstrom über die Membran. Frage: Wie entsteht das Ruhepotential? 1. ungleiche Ionenverteilung; 2. Selektive Permeabilität der Plasmamembran. Frage: Welches Ion ist maßgeblich für die Entstehung des RMP verantwortlich? K+. Frage: Wie wird ein "steady state" aufrechterhalten? Na+-K+-ATPase. Frage: Was beschreibt die Nernst-Gleichung? Gleichgewichtspotential. Genauer: Diejenige Potentialdifferenz, bei der die elektromotorische Treibkraft im Betrag gleich der chemischen Treibkraft ist aber in entgegengesetzter Richtung wirkt. Frage: Was beschreibt die Goldman-Gleichung (GHK)? Das elektrische Potential unter Einbeziehung aller Permeabilitäten und dazugehörigen Gradienten. Frage: Was ist ein Gleichgewichtspotential? Das Potential, bei dem die elektrochemische Triebkraft für das betreffende Ion null ist. Chemische und elektrische Treibkräfte sind dann entgegengesetzt und gleich groß. Frage: Welche Ex bestimmen das RMP? EK, ENa, ECl, Permeabilitäten im Verhältnis: 10:1:5 im Ruhezustand. Frage: Was ist die Membranzeitkonstante und wodurch wird sie bestimmt? τ (tau). = R*C (Produkt aus Widerstand und Kapazität). Einheit Sekunden. Zeit, die vergeht bis ein Potential auf 1/e des Ursprungswertes abgefallen ist (oder auf 1-1/e angestiegen).

3 Huguenard and McCormick
Aktionspotential Eintreffende Erregungen verursachen eine lokale Depolarisation, dies führt zu einer Aktivierung der Na+-Kanäle Die Aktivierung der Na+-Kanäle verursacht einen Na+-Einstrom, dieser verstärkt die Depolarisation (Hodgkin-Zyklus, regenerativer Prozess) Die Depolarisation aktiviert auch K+-Kanäle (allerdings verzögert; delayed rectifier) Nach 1-5 ms inaktivieren die Na+-Kanäle selbständig, das Membran-potential kehrt zum Ausgangswert zurück Anhaltende Aktivierung der K+-Kanäle verursacht die Nachhyperpolarisation Die Na+-Kanäle gehen in den geschlossen/aktivierbaren Zustand zurück. Die K+-Kanäle schließen sich. Spannung Membranpotential Leitfähigkeit Strom Erreichen des ENa Aktivierung Na+-Kanäle Inaktivierung K+-Kanäle Monotonie des Ablaufs ist ersichtlich, trotzdem ist es kein "Alles-oder-Nichts" Ereignis, da sich Schwelle, Verlauf und Amplitude durchaus verändern. Bei überschreiten der Schwelle wird ein AP ausgelöst. AP sind stereotype Ereignisse, die Ursachen sind automatische, regenerative Prozesse. Weiterhin bleiben ENa und EK während des Ablaufs praktisch konstant (es fließen Näherungsweise keine Ionen!). Praktisch wechselt die Zelle nur von einem Zustand hoher K+-Leitfähigkeit zu einem Zustand hoher Na+-Leitfähigkeit und zurück. Eine Fortleitung geschieht verlustfrei (ähnlich wie bei digitalen Daten), da die Signale ja von jedem Faserabschnitt neu generiert werden. Sliding Helix, Ball & Chain. Frage: Was würde mit dem AP ohne die delayed rectifier passieren? Rückkehr zum RMP, weil Na+-Kanäle inaktivieren. Frage: Beschreiben Sie die Phasen des APs! Frage: Wie schnell können APs sein? Beim Menschen? Bis 600 Hz (Augenmuskelsakkaden). Zeit (ms) Huguenard and McCormick

4 Refraktärphasen Frage: Wann ist die relative Refraktärphase vorbei? Wenn sich das RMP wieder eingestellt hat. Die zwei APs müssen völlig unabhängig voneinander sein. Sie dürfen sich nicht mehr behindern. Frage: Was ist Akkomodation? Wenn eine Zelle langsam depolarisiert wird deaktivieren die Na+-Kanäle nach und nach. Es öffnen bei geeigneter Parameterwahl nie genügend Na+-Kanäle um den regenerativen Prozess in Gang zu bringen. Die Zelle kann so auf Potentiale gebracht werden die weitaus positiver sind als die Schwelle ohne dass ein AP erzeugt wird.

5 Wichtige Eigenschaften von Neuronen
Dendritenbaum Eigenschaften des Neurons: Unterschiedliche Ionenverteilung Selektive Permeabilität Vorübergehende Änderung der Permeabilität nach Erregung (AP) Transmitterrezeptoren (EPSP) Kontakte mit anderen Neuronen Eigenschaften des Na+-Systems: Spannungsabhängige regenerative Aktivierung (Sliding-Helix-Modell) Selbständige, zeitabhängige Inaktivierung Erneute Aktivierung erst nach Repolarisation möglich drei Zustände des Na+-Kanals: geschlossen aktivierbar offen geschlossen nicht aktivierbar Soma Axon Ranvier'sche Schnürringe Myelin- scheiden 3 Zustände lernen! Lokalanästhetika wie Lidocain blockieren die schnellen Na+-Kanäle am Schnürring. Synaptische Endigungen

6 Prinzip der extrazellulären Ableitung - Feldpotentiale
AP ++++ ------ + - Extrazelluläre Ableitung Reizelektroden Ableitelektroden biphasische Ableitung, monophasische Ableitung Latenzdauer und Latenzzeit Fortleitungsgeschwindigkeit, Membranwiderstand, Innenlängswiderstand, Längskonstante Außenlängswiderstand Feldpotential = Spannungsabfall am Widerstand des Extrazellu-lärraumes +++++ +++++ +++++ Frage: Wie kann man die Fortleitungsgeschwindigkeit messen? Was ist das Problem dabei? Ableitung an zwei Orten bekannten Abstandes. Latenzen kürzen sich dann weg, dürfen sich aber nicht verändern. Reine Geschwindigkeitsmessung: Umladedauer des Membrankondensators bis zum erreichen der Schwelle wird mitgezählt. Der Einfluß ist groß aber abhängig von der Leitungsstrecke. Variabler Fehler! Daher Differenzbildung. Latenzdauer (Zeit vom Reiz bis zum eintreffen des Signals) ist ungleich Latenzzeit (Umladung Membrankondensator). Fortleitungsgeschwindigkeit: m/s. Kleiner 40 ist pathologisch. Bipolare Reizung, bipolar Registreirung, Monopolare Reizung, monopolare Ableitung nach zerstören der Faser (elektrischer Kontakt über Flüssigkeit, Fortleitung unmöglich, da Kurzschluss). +++++

7 saltatorische und kontinuierliche Erregungsfortleitung Myelinscheide und Demyelinisierungserkrankungen Prinzip der Myelinisierung Erhöhung des Membranwiderstands Verringerung der an der Erregung beteiligten Membranoberfläche saltatorische Erregungsfortleitung Demyelinisierung durch Viruserkrankung, allergische Erkrankungen, Stoffwechselerkrankungen, Autoimmunerkrankungen (Multiple Sklerose) Klinik: Hyperexzibilität, Missempfindungen durch "Übersprechen" Geringerer elektrischer Querwiderstand Erhöhte Membrankapazität Frage: Was erhöht hier die Fortleitungsgeschwindigkeit? Die Erhöhung des Membranwiderstandes. Die Verringerung der Zeitkonstante. Die Verkleinerung der Kapazität und der umzuladenden Membranfläche. Frage: Wie könnte man noch die Fortleitungsgeschwindigkeit erhöhen? Vergrößerung des Leitungsquerschnittes (Tintenfischriesenaxon, Regenwurmbauchmark). Verringerung des Längswiderstandes durch Platindraht. v~d v~√d Ohne Myelin müssten unsere Hirne so groß wie eine Stadt sein...

8 Reizstärke und Reizdauer
Zusammenhang zwischen Reizstärke und Reizdauer. Frage: Was ist ein Reiz? Was wird auf das Präparat gebracht? Energie. Ladungen. Je kürzer die Zeit, desto mehr Ladungen müssen pro Zeiteinheit aufgebracht werden. Irgendwann geht es nicht kürzer, ohne Schaden anzurichten: Chronaxie. Je geringer die Reizstärke, desto länger muss der Reiz sein. Irgendwann fliessen aber gleich viele Ladungen ab wie aufgebracht werden, so dass Netto keine Reizung stattfindet. Rheobase. 2x Rheobase = Chronaxie für die physiologischen Versuche am Menschen...

9 Evozierte Potentiale sensorisch evozierte Potentiale
klein, ~10 µV, daher Reizbezogene Mittelung nach wiederholter Messung Latenzen bei Multipler Sklerose deutlich verlängert späte ereigniskorrelierte Potentiale werden vom Kontext bestimmt, in dem der Reiz gegeben wird (Neuigkeit des Reizes, Erwartung eines Reizes, selektive Aufmerksamkeit, Ausbleiben eines Reizes) repräsentieren kortikale Verarbeitungsmechanismen, kognitive Prozesse Bereitschaftspotentiale treten Sekunden vor der Durchführung einer Willkürbewegung auf frühe und späte Komponente scheinen mit Handlungsantrieb und Bewegungsentwurf assoziiert zu sein Motorpotentiale aus jeweiliger topographischer Repräsentation des Muskels im Motorkortex Visuell evozierte Potentiale mit differenter Elektrode okzipital ableitbar. Verlängerung der Latenzen bei Entzündung des N. opticus. Auch: objektive Visusbestimmung durch musterevozierte Potentiale, da Signalabfall, wenn Muster nicht scharf gesehen werden kann. Spitzenpotentiale bei epileptischem Anfall Schlafwellen

10 Synaptische Übertragung im ZNS Lebenszyklus eines Neurotransmitters (NT)
Vorläuferstadium wird in Zelle aufgenommen Herstellung des eigentlichen NT Vesikulärer Transporter bringt NT in ein Vesikel (Schutz vor enzymatischen Abbau, Speicherung). Freisetzung und Interaktion mit postsynaptischem Rezeptor Autorezeptoren regulieren Freisetzung und Synthese Entfernung aus dem synaptischen Spalt durch hochaffinen Transporter oder Diffusion oder Aufnahme durch eine Gliazelle Enzymatische Zersetzung im Neuron

11 Synaptische Übertragung im ZNS Zyklus der Neurotransmitter-Vesikel
Abknospung vom Endosom Beladung Docking an Aktive Zonen Priming (Ca2+-abhängig) Bildung einer Fusionspore (durch Ca2+-Anstieg) Fusion Recycling durch kiss-and-run, direkt durch Endocytose oder vorher Fusion mit Endosom Chemische Synapse ungleich elekt. Synapse (Gab Junctions, Connexine)!

12 Synaptische Übertragung im ZNS: Fusionsproteine der Neurotransmitter-Vesikel
Acetylcholinesterase: Hemmung bewirkt Krämpfe durch Dauererregung (ACh wird nicht mehr aus dem Spalt entfernt). Z.B. durch Physostigmin aus der Kalabarbohne. BTX: Intoxikation durch verdorbene Lebensmittel, potentestes natürliches Gift (100ng Oral sind tödlich). Verhindert die Vesikelfusion, damit Verhinderung der ACh-Freisetzung, Lähmung. Wird nach oraler Aufnahme im Gastrointestinaltrakt resorbiert und wirkt dann an der motorischen Endplatte. Ähnlicher Mechanismus aber völlig kontrere Wirkung: Tetanustoxin: Infektion durch Clostridium tetani beim Wundstarrkrampf. Tödliche Dosis ng. Blockiert die Freisetzung hemmender Neurotransmitter: Wird von Nervenzellen aufgenommen und zum Rückenmark transportiert. Von dort gelangt es über transzytotische Wege in Interneurone. Aufhebung der Hemmung, unkontrollierte Erregung. Krämpfe anstatt Lähmungen. Katalytische Wirkung: Ein einziges Molekül dieser Stoffe kann die gesamte Vesikelfusion einer Synapse blockieren. Frage: Warum ist Botulinustoxin so potent? Wird nicht verbraucht! Ein Molekül kann tausende von Zielproteinen zerstören.

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