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

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1 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

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3 Riechsinneszelle im Grubenkegel einer Wanderheuschrecke
Antwort auf einen Duftreiz

4 Impulsfrequenzcodierung am Ausgang einer Riechsinneszelle

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

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

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

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

9 Transmitter EPSP Erregendes Post-Synaptisches Potenzial

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

11  PSP > 50mV Axon  PSP Soma Encoder Dendrit

12 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

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

14 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

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

16 Wiederholung

17 Fortleitung eines Nervenimpulses
-45 -70 mV Fortleitung eines Nervenimpulses

18 Fortleitung eines Nervenimpulses

19 Analogien zur Impulsfortleitung in einer Nervenfaser
Zündschnur Dominosteine Analogien zur Impulsfortleitung in einer Nervenfaser

20 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

21 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

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

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

24 . 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

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

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

27 Impulsverarbeitung in einem Neuronalen Netz

28 Inhibitorischer Neuronenring
Hemmung größer als Erregung ! Inhibitorischer Neuronenring

29 Inhibitorischer Neuronenring
Hemmung größer als Erregung ! Inhibitorischer Neuronenring

30 Ende