Neuronen, Modelle, Anwendungen Florian Kaiser Entstehung von APs Neuronen, Modelle, Anwendungen Florian Kaiser

Überblick Nervenzellen in der Natur Gepulste Neuronen Anwendungen Hodgkin-Huxley Leaky Integrate & Fire Spike Response Model Anwendungen Beuteortung eines Wüstenskorpions Richtungshören der Schleiereule Liquid-State-Machine

Biologische Neuronen Grober Aufbau Informationsaustausch über elektrische Pulse Funktionale Einteilung Dendriten (Eingabe) Soma (Verarbeitung) Axon (Ausgabe)

Biologische Neuronen Zellmembran Kanalprotein Ionenpumpe Äußeres Milieu Phospholipid-Molekül Na+ K+ Na+ Na+ K+ Inneres Milieu Ionenpumpen und Transportkanäle transportieren Ionen durch die Membran Transportkanäle werden abhängig vom Typ gesteuert durch Liganden (chemische Botenstoffe) Elektrische Spannungen Mechanische Einflüsse

Biologische Neuronen Transportprozesse an der Zellmembran Na+ Na+ Cl- Na+ Cl- K+ Cl- Na+ Inneres Milieu Äußeres Milieu K+ Na+ K+ Cl- Na+ K+ K+ Na+ K+ K+ Aktiver Transport Ionenpumpen Huckepack mit passiven Transporten Passiver Transport Semi-permeabilität durch Kanäle Diffusion Treibende Kraft für passiven Transport Elektrischer Gradient durch Ladungsungleichgewicht Chemischer Gradient durch Konzentrationsgefälle

Biologische Neuronen Ionenkonzentrationen und Ruhemembranpotential Na+ Na+ Cl- Na+ Cl- K+ Äußeres Milieu Cl- Na+ Ion Konz., intra (mmol/l) Konz., extra Verhältnis Na+ 7-11 144 1:12 K+ 160 4 40:1 Cl- 4-7 120 1:20 Inneres Milieu Weitere beteiligte Ionenarten: Ca2+, HCO3-, H+, Anionische Proteine K+ Cl- Na+ K+ K+ K+ K+ Na+ Gesamtpotential ergibt sich durch Ionenspezifische Leitfähigkeit der Membran Konzentrationsunterschied der Ionen zwischen Zellinnerem und -äußerem Gleichgewichtspotential für Membran heißt Ruhemembranpotential -70 mV in Neuronen -90 mV in Herz- und Skelettmuskulatur

Biologische Neuronen Aktionspotential Bei Spannungsanstieg Öffnen von Na+-Kanälen Ab Schwellen-Spannung Lawineneffekt Na+ kann einströmen  Depolarisation Na+-Kanäle schließen schnell wieder (vor Spannungsmaximum)  Repolarisation Na+-Kanäle sind eine zeitlang deaktiviert  Refraktäre Phase Verzögert öffnen sich K+-Kanäle  Verstärkung der Repolarisierung Öffnung der K+-Kanäle hält länger an  Hyperpolarisation

Biologische Neuronen Weiterleitung des Aktionspotential +20 Aktionspotential -20 -40 -60 Ruhepotential -80 Hyperpolarisation Na+ + + + + + + - - - + + + + + + - - - - - - - - + + + - - - - - - - - K+ - - - - - - - - + + + - - - - - - - - + + + + + + - - - + + + + + + Na+ Leitungsgeschwindigkeit hängt ab von Schwann‘sche Zellen mit Einschnürungen  sprunghafte Weiterleitung Dicke des Axons  geringerer Widerstand Geschwindigkeiten zwischen 1 m/s („langsamer Schmerz“) und 90 m/s (Ansteuerung der Muskelspindeln)

Biologische Neuronen Chemische Synapsen Aktionspotential initiiert Ca2+-Einstrom Ca2+-Ionen lösen Neurotransmitter-Ausschüttung aus Neurotransmitter öffnen an Dendriten Ionenkanäle Einfliessende Ionen ändern Membranpotential  Post-Synaptisches Potential (PSP) Stärke (Gewicht) der Synapse = Stärke des Post-Synaptischen Potentials Abhängig von der Anzahl chemisch-sensibler Ionenkanäle Prä-synaptisch Post-synaptisch

Hodgkin-Huxley Modell Einführung 1952 von Alan L. Hodgkin und Andrew F. Huxley Untersuchung am Riesenaxon des Tintenfisches 1963 Nobelpreis für Medizin 2006 Neue Theorie liefert genauere Vorhersagen Betrachtung von drei Ionenströmen Na+ (spannungs- und zeitabhängig) K+ (spannungs- und zeitabhängig) Leckstrom (konstant)