PowerPoint-Folien zur 6. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“ 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

Neuron - Biologische Bezeichnungen Dendrit Synapse Soma Nucleus Axon Myelin Neuron - Biologische Bezeichnungen

Das Gehirn besitzt ungefähr 100 000 000 000 Nervenzellen Das Gehirn besitzt ungefähr 10 000 Synapsen pro Nervenzelle

Aufbau einer Nervenzelle Elektrisch gesteuerte Membran Axon – Synapse Soma Encoder Dendrit Chemisch gesteuerte Membran + Synapse Aufbau einer Nervenzelle

Präsynaptisches Gitter Axon Synapse Synaptische Bläschen Präsynaptisches Gitter Synaptischer Spalt Na -Tor + Postsynaptische Membran

Transmitter EPSP Erregendes Post-Synaptisches Potenzial

Form eines EPSPs und eines IPSPs ≈ 10 ms Form eines EPSPs und eines IPSPs

 PSP > 50mV Axon  PSP Soma Encoder Dendrit

Membrantypen V V Elektrisch gesteuerte Membran Magnetspule Aufgeprägte Spannung Stabmagnet Membran V Elektrisch gesteuerte Membran Ionen Membran Signalmolekül (Transmitter) Rezeptor V Ionen Chemisch gesteuerte Membran

Signalverarbeitung in einer Nervenzelle Signalverlauf am Axonhügel (Encoder) Signalverarbeitung in einer Nervenzelle

Spannungsgesteuerter Na-Kanal mit 2 Toren geschlossen offen m-Gate Spannungsgesteuerter Na-Kanal mit 2 Toren 2 Depolarisation 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. 1 h-Gate 2 bis 5 ms 1 bis 2 ms 4 3 Repolarisation

Transmittermolekül Acetylcholin Magnet Mechanisches Modell für ein Transmitter gesteuertes postsynaptisches Ventil Essigsäure Acetylcholin-Esterase Cholin

Wiederholung

Fortleitung eines Nervenimpulses -45 -70 mV Fortleitung eines Nervenimpulses

Fortleitung eines Nervenimpulses

Analogien zur Impulsfortleitung in einer Nervenfaser 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

S VZ1 U F VZ1 VZ1 Nachbau eines Neurons F U Synapse Soma Encoder Gewichtung Synapse VZ1 Spannungs-Frequenzwandler mit Schwellwertcharakteristik F VZ1-Glied (Linearspeicher) U VZ1 Nachbau eines Neurons

VZ1 VZ1  U F VZ1 F Bionik-Neuron U Das Berliner Neuronenmodell

v lin. DGL Mechanisches VZ1-Verhalten Elektrisches VZ1-Verhalten h (t0 ) v Mechanisches VZ1-Verhalten

. Rechenoperation mit einem Neuron fa = n fe Impulsvervielfachung fe -50mV -70mV T R fa Impulsvervielfachung T R = Refraktärzeit . fa = n fe Rechenoperation mit einem Neuron

Rechenoperation mit einem Neuron fe1 fe2 -50mV -70mV fa Impulsaddition fa = fe1 + fe2 Rechenoperation mit einem Neuron

. . Rechenoperation mit einem Neuron fa = k fe1 fe2 -50mV -70mV fa Impulsmultiplikation . . fa = k fe1 fe2 Rechenoperation mit einem Neuron

Impulsverarbeitung in einem Neuronalen Netz

Inhibitorischer Neuronenring Hemmung größer als Erregung ! Inhibitorischer Neuronenring

Inhibitorischer Neuronenring Hemmung größer als Erregung ! Inhibitorischer Neuronenring

Ende