Physiologie Vorlesung 2024/25 - ZNS PDF

11 12.. 24 Vorlesung Physiologie 2024/25 - ZNS Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 1  Vorlesung Physiologie Einige Abbildungen der Folien der Vorlesung sind folgenden Le...

11 12.. 24 Vorlesung Physiologie 2024/25 - ZNS Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 1  Vorlesung Physiologie Einige Abbildungen der Folien der Vorlesung sind folgenden Lehrbüchern entnommen: Brandes, Lang, Schmidt: Physiologie des Menschen; Springer-Verlag, 32. Auflage 2019 oder frühere Klinke, Pape, Silbernagl: Physiologie; Thieme-Verlag, 10. Auflage 2023 oder frühere Boron, Boulpaep: Medical Physiology; Saunders, 3. Auflage 2017 oder frühere Speckmann, Hescheler, Köhling: Physiologie; Urban + Fischer, 8. Auflage 2024 oder frühere Silbernagl, Despopoulos: Taschenatlas Physiologie, Thieme-Verlag, 9. Auflage 2018 oder frühere Silbernagl, Lang: Taschenatlas Pathophysiologie; Thieme, 5. Auflage 2018 oder frühere Gekle, Wischmeyer, Gründer et al.: Taschenlehrbuch Physiologie; Thieme-Verlag 2015 Silverthorn: Physiologie; Pearson, 4. Auflage 2010 McArdle, Katch, Katch: Essentials of Exercise Physiology; Lippincott, Williams & Wilkins, 7. Auflage 2010 oder frühere Bear, Connors, Paradiso: Neurowissenschaften, Springer-Verlag, 4. Auflage 2018 oder frühere Die Weiterverbreitung der Abbildungen außerhalb der Vorlesung ist gesetzlich untersagt Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 2  100 Wer wirkt attraktiver und warum? Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 3  Vorlesung Physiologie 2024/25 - Zentrales Nervensystem, ZNS - Gehirn: (Neo)Kortex: Aufbau, Zellen Aktivitäts-Messung: MRT, PET, MEG, EEG - EEG: Rhythmen, Wellen, Synchronizität - Schlaf(verlauf): Steuerung (Hirnstamm, Thalamus), NREM, REM - Circadianer Rhythmus --------------------------- - Motorik - Bewegungen - Motorkortex - Bahnen - Muskeln - Basalganglien, Kleinhirn - Gedächtnis - deklaratives - implizites Lernen, LTP Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 4  Großhirn und Großhirnrinde wikimedia.org Phineas Gage, Bahnarbeiter, nach dem 13. September 1848 in Vermont (USA) Zerstörung großer Teile des Frontallappens Bei Bewusstsein, nach ambulanter Behandlung entlassen, Erholung nach wenigen Monaten Keine weiteren Auffälligkeiten außer: deutliche Änderung des Wesens und der Persönlichkeit. Vorher: freundlich, nett nachher: aggressiv, launisch keine Änderung der Intelligenz, aber kein vorausschauendes Handeln und Planen mehr möglich  Keine kei für das pure Überleben wichtige Strukturen betroffen, aber wohl für das, was den Mensch (zum Teil) zum Menschen macht Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 5  = Gehirn Älteste bekannte Erwähnung des Wortes in einem ägyptischen Papyrus aus dem 17. Jdt v. u. Z. Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 6  Gehirne verschiedener Säuger Falten ~ wenige Zunehmende Oberflächen- vergrößerung und Einfaltungen Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 7  eine mögliche Ursache ↓ Mutation : Augstatt Gys in Protein -+ mehr Zellen im Gehirn ?! > - Entwicklung vole Neandertaler zum Mensch https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade4388 https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl6422?url_ver=Z39.88-2003&rfr_id=ori:rid:crossref.org&rfr_dat=cr_pub%20%200pubmed Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 8  Gehirn in der Historie Hippokrates (460 - 370 v.u.Z.): „Gehirn dient nicht nur der Sinneswahrnehmung, sondern ist auch Sitz des Verstandes“ Aristoteles (384 - 322 v.u.Z.): „Herz ist Zentrum des Verstandes“ Galen (etwa 130 - 200 u.Z.; Arzt der Gladiatoren): Konsistenz des Gehirns gibt Auskunft über dessen Funktion → Kleinhirn: (fester) befehligt Muskeln Ida auch funter Großhirn: Empfang von Sinneseindrücken (weicher, erleichtert Prägung) Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 9  Gehirn in der Historie mit Hirnwasser (Liquor) gefüllte Hohlräume im Gehirn Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 10  Frühe Vorstellungen zum Sitz verschiedener Fähigkeiten im Gehirn inhaltlich fauch, - aber Idee richtig ! > repe. Regionen in Gehin - autätig fü beit Aufgeben. in: The Human Brain and Spinal Cord, 2nd ed. University of California Press, Los Angeles Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 11  Organisation des Neokortex reagieren nur auf eine Sinnesmodalität steuern direkt die Willkürmotorik > - Letzte Station im Gehirn & T # nicht mehr so e Sekundäre Areale reagieren bereits auf Spezialisiert unterschiedliche Sinnesmodalitäten, jedoch noch überwiegend „unimodal“ direkte Aufnahme/Abgabe Nachdenken eingehende Infos Assoziationskortices (polymodal): bewerten bearbeiten,... , höhere kognitive Funktionen Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 12  Schädigungen des Assoziationskortex - Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 13  Vernunft! -nicht fü Limbisches System emotionale, hoquitive Elemente ↳ älter * -Denken sprade, , junger verunft Vermittler zwischen Assoziationskortex, präfrontalem Kortex und phylogenetisch alten emotionsrelevanten Gebieten --> Verbindung emotionaler und kognitiver Komponenten --> Lust, Unlust, Angst, usw. bei Versagen Depression, Schizophrenie, Phobien etc. * auch zur Bildung erlernter Gedächtnisinhalte (Hippocampus) Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 14  Verarbeitung im Kortex > - nile Einfaltungen Oberpeace. ↑ Eingang „Denken“ Ausgang primär primär Assoziations- sensorische motorische cortices Areale Areale Bewerten Entscheiden kolonien (mitmise vimebischen Systems) Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 15  Schematischer Aufbau des Kortex · all nicht -enevern Pyramidenzellen miteinander durch Axonkollaterale verbunden. Überwiegender Zelltyp in allen Schichten, nur in der Großhirnrinde zu finden; Energieverbrauch bei etwa 8 ml O2/min x g Gewebe Neurone der Hirnrinde erneuern sich nicht* #2655 *http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1567918/pdf/zpq12564.pdf Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 16  Exkurs: Laminarer Aufbau des Kortex: sechs Schichten Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 17  Laminarer Aufbau des Kortex: sechs Schichten > - aber alle groni übereinander hauptsächlich afferent (hinein) S nichtigste Zellen in hauptsächlich der Rindel efferent (hinaus) ↑ Zwei Haupttypen kortikaler Zellen: ( Pyramiden (80 %)- Kortex > - Thalamus und Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 18 Sternzellen (Astrozyten) Kortex-Kortex > Thalamus - > - Kartex relandan Verbindung beide Hirnhälften eherInfo  Gliazellen: Unterstützung neuronaler Prozesse Hirnaktivität auch durch Gliazellen beeinflusst spielen - Astrozyten: nichtige Zellen mit Neurotransmitter-Rezeptoren und -Transporter Ro! - Aufrechterhalten des chemischen Milieus des Extrazellularraums - Begrenzen die Ausbreitung von Transmittern - Regulation des Blutflusses PNS Schwann'sche X im : Zellen Oligodentrogliazelle im ZNS Isolation der > - Axone verhindern Regeneration durchtrennter Bahnen ? Z B. > -. ih Rückenmark Querschnittslähmungen I Spannend! , umhüllen u.a. chemische Synapsen Abstand zu Neuronen nur 20 nm Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 19  Denken ↳ durc Interaktion Pyramide tellen Pyramidenzelle Pyramidenzelle Pyramidenzelle Aktivität besteht aus der interaktiven Aktivität der Erregungsmuster zwischen Pyramidenzellen und ihren Dendriten Jede Pyramidenzelle ist mit tausenden, auch weit entfernt liegenden anderen Pyramidenzellen verbunden, dazu mit den anderen Zellen im Kortex (noch größeres Gehirn: schwierig, da mehr Energieaufwand und weitere Wege) Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 20  Denken beeinflussen? el. Aktinerung no Beeinflussung Stimmung etc. http://nro.sagepub.com/content/early/2016/04/26/1073858416646707.full.pdf+html Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 #3026 21  Was passiert beim Denken? noc, abe Idee Blutfluss Activitat i -Fehlerquelle In - Angelo Mosso, 1884: Gehirn benötigt Blut zum Denken → bei erhöhtem Bedarf neigt sich die Wippe zur Kopfseite Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 22  Position Emissions Tomographe - - Denken sichtbar machen? Durchblutungsmessung mittels radioaktiver Substanzen & erhöhte Antivität t1/2 = 5,3 d gamma + (beta)-Strahlung  133Cs (stabil) Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 23  Denken sichtbar machen? Durchblutungsmessung mittels radioaktiver Substanzen  Schmerzempfinden objektivierbar ? 100 % = Gesamtdurchblutung des ruhenden Gehirns Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 24  Denken sichtbar machen? Kernspintomografie, Magnetresonanztomografie (MRT)  Registrieren der BOLD-Antwort (blood oxygen level dependent)  welches Areal wird mit Verhält S oxygeniertem Blut versorgt (oxygeniertes Blut weniger paramagnetisch  dauert länger, sil anders als bis Ausgangszustand nach Abschalten des Magneten wieder erreicht ist) droxy... Blut Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 25  Denken sichtbar machen? Kernspintomografie, Magnetresonanztomografie (MRT) Zahlen../ "Deaner an Physion-Rechner , > - beit. Bereiche mehr aktiv nur Denken an Physiologie  verschiedene Areale des Gehirns für gemeinsam aktivierte Bereiche subtrahiert verschiedene Aufgaben verstärkt verwendet Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 26  Denken sichtbar machen? Positronen-Emissions-Tomogramm (PET) Messung der Gamma-Strahlung (Photonen), die nach der Verbindung von Positronen und Elektronen entsteht z.B. [18F]-markierte Substanzen (T½ = 110 min) - [18F]-Fluorodopa - [18F]-Fluor-Deoxy-Glukose (wird zu 6-Phosphat-[18F]-Fluor-Deoxy-Glukose, die nicht weiter verstoffwechselt werden kann und sich in stoffwechselaktiven Arealen anreichert) Glucose-hout. > - viel Gl bei erhöhter Aktivität loe Stoffwechseln) Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 27  Denken sichtbar machen? Positronen-Emissions-Tomogramm (PET) ⑮ ⑬ En Muskelkontraktion Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 28  Denken sichtbar machen? Magnetoenzephalogramm (MEG) - - fussiges Helium Messen der Magnetfelder, die durch die Aktivität der Neuronen erzeugt werden (elektrische Ströme) Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 29  Denken sichtbar machen? Magnetoenzephalogramm (MEG) Sehr aufwändig, da andere, sehr viel stärkere Magnetfelder (Erdmagnetfeld etc.) abgeschirmt werden müssen Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 30  Gehirn Nachweis el. Aktivitat Denken sichtbar machen? Elektroenzephalogramm, EEG Richard Caton 1875 an Hunden und Affen http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1870055/pdf/procrsmed00267-0091.pdf Hans Berger (1873 – 1941) - Neurologe und Psychiater in Jena - ab 1902 Experimente am Kortex von Hunden und Katzen (nach eig. "übersinnlicher" Erfahrung) - 1924 erstes EEG am Menschen Berger, Hans: 1929: Über das Elektrenkephalogramm des Menschen Arch. f. Psychiatr. 87, 527-570 und später Das Elektrenkephalogramm des Menschen. Halle/Saale: Acta Leopoldina Bd. 6 (1938), Nr. 38, 173-309 Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 31  Denken sichtbar machen? Elektroenzephalogramm, EEG mas weill nicht, was Mensch , hät, sieht, deht - - L Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 32  Denken sichtbar machen? Elektroenzephalogramm, EEG Signal sehr schwach große "Anzahl Pyramide- zehen müsse aktiv sein ↓ + große Verstärkung notig - Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 33  Denken sichtbar machen? Elektroenzephalogramm, EEG +- +- Eine erregte Pyramidenzelle allein +- ergibt kein messbares Signal; - erst, wenn mehrere zusammen ↑ erregt werden, wird ein Signal messbar  Elektroenzephalogramm (EEG) Dipol  elektrisch ableitbar aus dem Thalamus thalamo-kortikale Bahn. + + · - + - Pyramidenzelle + + - Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 34  Denken sichtbar machen? Elektroenzephalogramm, EEG da nice causpare woher Frequenz , opt. Infor antgenomme wach, Augen geschlossen wach, Augen geöffnet Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 35  EEG Wellenformen (krank) physiologisch pathophysiologisch gena (epileptiforme Potenziale) z B.. Epillepsie wach Yu 0 D niedrige Ampli Wach - höhere f Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 36  EEG Wellenformen, epileptischer Anfall Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 37  Synchronisation Augen geschlossen Nedartex -2 Kortex Summendipol & Thalamus EEG Synchronisation - als Maß für M -  höhere Amplituden Synchronisation  delta-Wellen - Desynchronisation Thalamus- Pyramidentellen me im - Malemus Linalammstrne)  beta-Wellen antistaktiv ~einen - zB. -. durch Öffnung Ange -Wellen Thale- > - were lups auf Thalamus- (1) im were was Wese Seiten > ↓ Eregung -. > - Amplitude t ,da unkoordinet ↳ einzelne Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 Zachen mit hoberf 38 ↑  Synchronisation EEG Beim Tiefschlaf Kortex Thalamus spontan aktive, rhythmische Neurone Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 39  Hirnstammneurone beeinflussen Thalamusaktivität große Amplitude + da none synchronisation rhythmische , Aktinerung von Thalamustellen - Schuld Himstammrearome : inaktiv > - role Umweltinges werde blocket durch eigene Rhythmus" der Tholacausueurone Sensorische Signale Sensorische Signale werden getreu Lunbearbeitet) werden nicht weitergegeben an Verarbeitung > - quasi 1 :weitergabe weitergegeben --> Bewusstsein - AP hiangen Keine Steuerung ~ eigene Rhythmus > - rhythmische Aktivität angeeiner weiter unterbindet Weitergabe der sensorischen Afferenzen 2. eingehenden figual wird nicht) weitergegeben kaum Il ganz alte Region Vgl Mäuse tauten das TischS. im Hint usw ) wenn reinand zu sieht (Hetschlag. - Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 40  Transmitterkonzentration im Hirnstamm zur Regulation von Schlaf und Wachheit Acetylcholin, cholinerge Neurone Noradrenalin, Serotonin, Histamin, aminerge Neurone Himstack neurone hoch ↑ Netwerk new Nervengeflechten durch geringere Aktivität die Zum... ARAS- aufsteigender Systeme Zihen Aktivität niedrig wach non-REM-Schlaf REM-Schlaf Augen geöffnet => nicht gleich aus EEG wie nach , Anges Desynchronisation offen zunehmende Synchronisation  Aminerges System scheint das wichtigste System zur Regulierung von Wachheit und Schlaf zu sein ARAS: aufsteigendes retikuläres Aktivierungs-System Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 41  Gehirn braucht Zeit, um sich mit sich selbst zu beschäftigen.. Schlaf Ein Prozess, durch das Gehirn herbeigeführt und dem Gehirn dienend „Sleep is of the brain, by the brain and for the brain“* Cher Schlaufwandel) Tiefschlaf wach NREM-Schlaf REM-Schlaf Sensibilität, lebhaft, exogen träge bis fehlend lebhaft, endogen Wahrnehmung erzeugt Wehleitung im Thalamus erzeugt Unterbunden Denken logisch, logisch, beharrlich unlogisch, bizarr (= fortschreitend wiederkehrend „Träumen“) Skelettmuskel- willentlich, episodisch, Gehirnbahnen aktiv, alle aktiv , aber Weiter- Aktivität ununterbrochen willkürlich aber α-Motoneurone Leitung an gehemmt Muskeln unterbunden EEG alpha, beta theta, delta beta „ein leerlaufendes „ein aktives Gehirn in einem Gehirn in einem beweglichen Körper“ gelähmten Körper“ Hemmung der Motorik ausgehend von Kernen in der Medulla oblongata; Läsion dieser Kerne führt zum motorischen Ausleben des Trauminhaltes (träumende Katze fängt immaginäre Mäuse). Außer Atem-, Augen- und Mittelohrmuskeln alle Muskeln gehemmt. *Hobson, JA.; Nature, 437 (7063): 1254-1256 (2005) Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 42  Warum Schlaf ? Alle Säugetiere, Vögel und Reptilien (kein REM) schlafen inaktiv, dann Wechsel jew. Gehirn aktiv, die andere Erneuerung --> Ausruhen, Erholung, Vorbereitung auf Wachsein Schlaf Adaptation --> Energiesparen Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 43  Schlaf und Gedächtnis SWS-Schlaf fördert die Fähigkeit zur Einprägung und Wiedergabe gelernten Materials. Konsolidierung durch Reaktivierung tagsüber erfahrener Situationen, aber auch Reorganisation --> Veränderungen der Gedächtnisinhalte Anstieg der Proteinsynthese in Neuronen während REM-Phasen Riechen von Rosenduft beim Lernen und während Tiefschlaf (SWS) nach dem Lernen fördert die Wiedergabe gelernter Wortlisten (Science 315, 1426-1429, 2007) Game und Gedächtnis steut miteinander verknüpft Sciene 315, 1360-1363, 2007 Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 44  Schlaf und Gedächtnis „Ich habe herausgefunden, dass es einigen Nutzen bringt, nachts im Bett zu liegen und in die Dunkelheit zu blicken und dabei im Geist das zu wiederholen, womit man sich beschäftigt hat. Dann versteht man die Dinge nicht nur besser, sondern erinnert sich auch leichter daran“ Leonardo da Vinci Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 45  Wer wirkt attraktiver? (right) (left)  ausgeschlafene Menschen wirken attraktiver http://www.bmj.com/content/341/bmj.c6614.full.pdf+html Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 46  Schlafstadien, Schlaftiefe im EEG Tiefchlaf > einerzi! - NREM A: Übergang wach-Schlaf leicht weckbar , K-Komplexe: zeigen an, dass Umgebungsreize vom Gehirn registriert und verarbeitet werden 1: Einschlafstadium und leichtester Schlaf (Zuflüstern des eigenen Namens wird mit ausgeprägteren K-Komplexen instabil beantwortet als das fremder Namen) > Gehin - registe , analyse noc luges 2: Leichter Schlaf; eigentlicher Begin des Schlafs Schlafspindeln: v.a. aus sensomot. Arealen 3: Mittlerer Schlaf „schützen“ den Schlaf, indem äußere Reize 4: Tiefschlaf, auch slow-wave-sleep, SWS abgeschirmt und die Motorik ruhiggestellt wird hohe Weckschwelle karm aufweckbar , (treten auch im Wachzustand ab und an mit niedrigerer Amplitude auf) Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 47  Langsame-Wellen-Schlaf, SWS Reizung, auch Erwärmung (Fieber) des Nucleus praeopticus im Hypothalamus führt zum SWS, räumlich klar abgetrennt von cholinergen, REM-Schlaf-auslösenden Regionen Homöostatischer Charakter: abhängig von der vorausgegangenen Aktivität, Nahrungsaufnahme Hirntemperatur und anderen Faktoren Restaurative Prozesse v.a. in den ersten drei Nachtstunden dart Tieflaf auch produced Wahrscheinlich durch Akkumulation von „Schlafsubstanzen“ während der aktiven Zeit Abbew & A nom fal b (Adenosin, akkumuliert während des Tages in der Extrazellulärflüssigkeit und hemmt zunehmend Acetylcholin-, Noradrenalin- und Serotoninerge „Wachneurone“) untNacht - pednormone" Psychoaktive Substanzen wie ~ Koffein in Kaffee blockeit Rezepter das , sie man müde fühlt Theobromin in Schokolade Theophyllin in Tee  Methylxanthin-haltige Moleküle blockieren Adenosin-Rezeptoren NO löst Ausschüttung von Adenosin aus „Schlafhormon“ Melatonin: nur bei Dunkelheit ausgeschüttet, bei Tageslicht gehemmt steigt mit einsetzender Schläfrigkeit an, max. in den frühen Morgenstunden, fällt zum Zeitpunkt des Aufwachens auf den Grundwert zurück wichtig für Ein- und Durchschlafen (schlafverbessernder Effekt umstritten) sowie für circadianen Rhythmus Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 48  Melatonin Melatonin eines der ältesten biologisch aktiven Moleküle gefunden in nahezu allen Organismen einschließlich Bakterien und Pflanzen In Vertebraten nachts im Pinealorgan (Zirbeldrüse, Epiphyse) sezerniert Direkte Modulation der neuronalen Erregbarkeit im Ncl. suprachiasmaticus und im Thalamus Platynereis dumerilii https://de.wikipedia.org/wiki/Platynereis_dumerilii Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 49  immer erst NREM vor REM REM-Schlaf, paradoxer Schlaf EEG vom Wachzustand kaum zu unterscheiden, aber Person reglos mit geschlossenen Augen. Namengebend: schnelle Augenbewegungen, teils sekundenlang mit 1 – 4 Hz Träumen: aktiv handelnd und emotional, oft bizarr, bei Gesunden immer an NREM-Schlaf anschließend. Während anderer Schlafphasen auch Träumen, allerdings abstrakt gedanklich. > - man einwert sil aber weist - nur an Traume aus REM-Schlaf (de Aufwache Höherer Sauerstoffverbrauch als im wachen Hirn, das mathematische Probleme analysiert. danach Erhöhte sympathische Aktivität, Abnahme der Körperkerntemperatur. S ↳ höhere Alarmbereitscheift als im ! Wachtestand man muss unmittelbar nach Trave gewellt werden um , sil daran einen zu können Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 50  Aktivitätsänderungen zwischen Wachheit und REM-Schlaf Frontallappen (rational) Limbisches System (Emotionen, Triebe) ↳ Vernunft ausgeschaltet! drei Bildebenen primäre Sehrinde in beiden Stadien gleich aktiv aus: Braun et al. Science 279: 91–95, 1998 http://www.sciencemag.org/content/279/5347/91.full.pdf Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 51  Schlafverlauf e am Ende der Nacht idealisiert Ende der nehmen zum Nacht zu werden länge (bis 30-45min) Träume Fipulat Schlafwandeln - & Wahrend > deshalb Tiefschlaf schwer - weckbar NREM + REM = basic rest activity cycle (BRAC) Schlafwandeln: am häufigsten im Alter von 11 Jahren, nicht im REM-Schlaf, schwer weckbar, da in der Tiefschlafphase! Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 52  Schlafverläufe Abnahme der Schlaftiefe mit Zunahme der Schlafdauer REM-Schlafdauer und -Intensität nehmen im Laufe der Nacht zu 5-10 min auf 20-30 min Schlafverläufe einer gesunden Person während vier aufeinanderfolgenden Nächten Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 53  Schlafdauer ~ Erklärung ?Heleneuee beite Neugeborene und Kleinkinder viel Schlaf mit hohem Anteil an REM- Schlaf. Schlafdauer und Anteil des SWS nehmen mit zunehmendem Alter ab. Nach tagelangem Entzug von REM-Schlaf wird dieser bei nächster Gelegenheit nachgeholt. Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 54  Vegetative Änderungen während des Schlafs Beginn der ersten Tiefschlafphase: Stimulierung der STH-Sekretion (STH = Wachstumshormon) Elektrookulogramm (Augenbewegungen) Elektromyogramm (Nackenmuskulatur) auch Klitoris auch bei Träumen ohne sexuellen Inhalt Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 55  Schlafentzug - Sinn des Schlafes nach wie vor unklar - REM und NREM-Schlaf überlebenswichtig  Schlafentzug über längere Zeit führt zum Tod bei Mensch und Tier. - Beim Menschen essentiell sind offensichtlich die ersten 2-3 SWS-REM-Phasen = Kernschlaf (Regelmäßiges Wecken nach Ablauf des Kernschlafs keine Folgen, aber dessen Entzug). - Entzug der letzten drei Stunden führt zu kaum merkbaren Störungen. - nach 3-4 Nächten ohne Schlaf kommt es zu Wahrnehmungsverzerrungen und Aufmerksamkeitsstörungen; Bereits wenige Stunden Schlaf reichen zur vollkommenen Erholung aus. - Falls Erholungsschlaf nicht möglich, dann „Mikroschlafepisoden“ - Folter: Schlafbedürfnis steigt mit zunehmendem Entzug und wird übermächtig. -... als Therapie bei Depression (?, jedoch meist Rückfall), Mechanismen ungeklärt. Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 56  Circadianer Rhythmus Johann Gottfried Zinn, 1727 - 1759 Ausfeld-Hafter, Brigitte: Chronobiologie, 2010, S. 54 Peter Lang Verlag Bern; ISBN 978-3-0343-0559-4 C.v. Linné Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 57  Circadianer Rhythmus N. suprachiasmaticus Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 58  Circadianer Rhythmus Durch externe Zeitgeber (Licht, Uhren etc.) auf 24 Stunden synchronisiert. Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 59  Circadianer Rhythmus Ohne Zeitgeber oft etwas länger als 24h mit rot: wach; blau: Schlaf großer interindividueller Streuung  Innere Uhr Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 60  Innere Uhr 1. Dimerisierung von CLOCK und BMAL1* 2. Bindung an DNA der Gene per und cry  Bildung von Per(iod) und Cry(ptochrom) 3. Per und Cry verbinden sich mit weiteren Proteinen 4. Die Komplexe hemmen CLOCK/BMAL1 und verlangsamen damit die Transkription von per und cry 5. Abbau von Per und Cry mit folgender Ent- hemmung der Transkription Läsionen im Nucleus suprachiasmaticus (Gebiet direkt über der Kreuzung der Sehnerven) führen zur völligen Desynchronisierung aller Körper- und Verhaltensfunktionen Zellkulturen aus diesem Gebiet behalten ihre Rhythmizität bei  „Master clock“ steuert dann z.B. Wach- und Schlafzentren Informationen letztlich aus spezialisierten bipolaren Ganglienzellen der Retina, die den Photorezeptor Melanopsin enthalten, der auf diffuses Licht anspricht (Zeitgeber) * basic helix-loop-helix ARNT1-like 1, cycle bei Drosophila Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 61  Circaannuale Rhythmen ca. 23 % des Genoms (22822 Gene getestet) im Sommer oder Winter jew. aktiver http://www.nature.com/ncomms/2015/150512/ncomms8000/pdf/ncomms8000.pdf Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 62  Zusammenfassung Die Aktivität des Gehirns kann durch bildgebende Verfahren beobachtet werden. Im EEG können verschiedene Aktivitätszustände des Kortex unterschieden werden, je nach Grad der Synchronisation verändern sich Frequenzen und Amplituden. Die Synchronizität wird durch Hirnstammneurone via Thalamus gesteuert. Es werden zwei Arten des Schlafs unterschieden: NREM und REM. Im Laufe einer Nacht nehmen Schlaftiefe ab und REM-Phasen zu. Im Lauf des Lebens nimmt die Gesamtschlafdauer und der REM-Schlaf ab. Der circadiane Rhythmus wird durch äußere Zeitgeber beeinflusst. Ohne äußere Zeitgeber wird ein eigener individueller Rhythmus etabliert. Dies liegt an (evolutionär sehr alten) „Uhr“-Genen, die rhythmisch exprimiert werden. Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 63  Fragen - Welche bildgebenden Verfahren gibt es, um u.a. die Aktivität verschiedener Hirnareale zu detektieren? - Weshalb kommt das EEG zu Stande? - Welche Wellen finden sich im EEG und welchem Wach/Schlaf-Zustand entsprechen sie? - Wodurch wird die Synchronisierung der Hirnaktivität erreicht bzw. gesteuert? - Wie unterscheidet sich REM von NREM-Schlaf? - Wie ist der typische Schlafverlauf während einer Nacht? - Wann findet häufiger SWS- und wann häufiger REM-Schlaf statt? - Wie wird der circadiane Rhythmus gesteuert? Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 1 - Winter 2024/25 64  Vorlesung Physiologie 2024/25 - ZNS 2 Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 2 - Winter 2024/25 1  Vorlesung Physiologie Einige Abbildungen der Folien der Vorlesung sind folgenden Lehrbüchern entnommen: Brandes, Lang, Schmidt: Physiologie des Menschen; Springer-Verlag, 32. Auflage 2019 oder frühere Klinke, Pape, Silbernagl: Physiologie; Thieme-Verlag, 10. Auflage 2023 oder frühere Boron, Boulpaep: Medical Physiology; Saunders, 3. Auflage 2017 oder frühere Speckmann, Hescheler, Köhling: Physiologie; Urban + Fischer, 8. Auflage 2024 oder frühere Silbernagl, Despopoulos: Taschenatlas Physiologie, Thieme-Verlag, 9. Auflage 2018 oder frühere Silbernagl, Lang: Taschenatlas Pathophysiologie; Thieme, 5. Auflage 2018 oder frühere Gekle, Wischmeyer, Gründer et al.: Taschenlehrbuch Physiologie; Thieme-Verlag 2015 Silverthorn: Physiologie; Pearson, 4. Auflage 2010 McArdle, Katch, Katch: Essentials of Exercise Physiology; Lippincott, Williams & Wilkins, 7. Auflage 2010 oder frühere Bear, Connors, Paradiso: Neurowissenschaften, Springer-Verlag, 4. Auflage 2018 oder frühere Die Weiterverbreitung der Abbildungen außerhalb der Vorlesung ist gesetzlich untersagt Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 2 - Winter 2024/25 2  Vorlesung Physiologie 2024/25 - Zentrales Nervensystem, ZNS - Gehirn: (Neo)Kortex: Aufbau, Zellen Aktivitäts-Messung: MRT, PET, MEG, EEG - EEG: Rhythmen, Wellen, Synchronizität - Schlaf(verlauf): Steuerung (Hirnstamm, Thalamus), NREM, REM - Circadianer Rhythmus --------------------------- - Motorik - Bewegungen - Motorkortex - Bahnen - Muskeln - Basalganglien, Kleinhirn - Gedächtnis - deklaratives - implizites Lernen, LTP Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 2 - Winter 2024/25 3  ZNS: Motorik Leben äußert sich durch Bewegungen: Anforderungen: - kontrolliert, reguliert, kreativ - Lokomotion Bewegung /Fortbewegung - zielgerichtet, geplant - Sprechen, Kommunikation - angemessen (bzgl. sozialem Kontext) - Gesten, Mimik - bewusst (und unbewusst) - Handfertigkeiten, Kunst - Atmung - Aufrechter Gang Augenmuskulatur noch ! funktioniert Lou Gehrig (gest. mit 37 Jahren) Amyotrophe Lateralsklerose; Lou-Gehrig-Syndrome (Degeneration von alpha-Motoneuronen und Neuronen im motorischen Kortex Ursache unbekannt, kleiner Teil genetisch) Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 2 - Winter 2024/25 4  s Arten der Bewegung E , Schreiben Großhire muss nicht denkch tun , was man muss Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 2 - Winter 2024/25 5  Reflexbogen 1. Sensor (z.B. Muskelspindel) meldet Änderung über 2. Afferenz (z.B. Ia und Ib-Fasern) an 3. Reflexzentrum (z.B. spinale Interneurone), welches über 4. Efferenz (z.B. α-Motoneuron) den 5. Effektor (z.B. Skelettmuskelfaser) aktiviert Monosynaptischer Reflex: direkte Verschaltung der afferenten Faser auf 1 Motoneuron (z.B. Patellareflex) - Synapse > lauft schnell ab - Polysynaptischer Reflex: zwischen Afferenz und Efferenz liegen mind. zwei Verschaltungen (z.B. Flexorreflex) 2-3 Synapse Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 2 - Winter 2024/25 6  -gleiche Muskel wird angesprochen Monosynaptischer Eigenreflex Patellareflex Passive Dehnung des Muskels wird durch Muskelspindel registriert, wodurch reflektorisch α-Motoneurone des gleichen Muskels aktiviert werden Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 2 - Winter 2024/25 7  Hemmung durch absteigende Bahnen von supraspinal absteigende Bahn ~ = Hemmung hemmendes Interneuron Üblicherweise wird Motorik über hemmende Interneurone gebremst. Durch Ablenkung kann diese Hemmung herabgesetzt werden. Oder durch Vorerregung wird der Schwellenwert früher erreicht (Jendrassik-Handgriff) Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 2 - Winter 2024/25 8  Fremdreflex > - mehrere Synapsen damischen geschaltet Während ein Bein reflektorisch gebeugt wird, wird das andere Bein reflektorisch gestreckt > - damit man nicht umfallt - Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 2 - Winter 2024/25 9  Arten der Bewegung , Schreiben - ohne RM Bew kaum möglich. Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 2 - Winter 2024/25 10  Gekreuzter Streckreflex Eine Seite wird gestreckt, eine gebeugt  Baustein für die Fortbewegung  Gehen: abwechselndes Strecken und Zurückziehen der Beine Koordination bereits auf Ebene des Rückenmarks durchtrenntes Rückenmark  koordinierte Gehbewegungen auf Laufband (Katze, für Menschen nur vereinzelt berichtet, und dann rudimentär)  Mustergeneratoren, die von höheren Institutionen beeinflusst werden können Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 2 - Winter 2024/25 http://jn.physiology.org/content/101/6/2847.full.pdf 11  Arten der Bewegung , Schreiben Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 2 - Winter 2024/25 12  Willkürliche Bewegungen Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 2 - Winter 2024/25 13  Willkürmotorik ecialisierter höhere Zentren, nachgeschaltet mehrere gruppen Muskel- einzelne Muskel- gruppen 2  mentales Körperbild SMuskelstellung Druch,...* Ist-Zustand  somatosensorische Info  optische Info ,  Entscheiden, Abwägen -( Ist-Zustand beachten => Reaktion ↳ an Muskeln Info sender.. über prämot Areal,. primace Motorcortex - elektrischer Reiz in elektrischer Reiz in Area 4 Area 6, Prämotorisches  Zucken von Muskelgruppen auf Areal, PMA der gegenüberliegenden Seite,  komplexe Bewegungen somatotop organisiert auf beiden Seiten, somatotop organisiert Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 2 - Winter 2024/25 14  Sitz des Motorkortex und Repräsentation einzelner Körperbereiche ahwhich somato- ↓Sektorischen Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 2 - Winter 2024/25 15  Vom Motorkortex zu den Muskeln -ste ↓ e sex direkter Nervenbahnen zum Muskel Weg Chaupt- rachlich - hoher Eisengehalt indirekter Weg Cältere Version) Pyramidales System > - Ersatzbahn , wenn direkter Weg ausfällt nur bei Primaten # Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 2 - Winter 2024/25 16  Namen nicht Absteigende Rückenmarksbahnen nichtig aus Area 4 und Area 6 der Großhirnrinde kommend Feinmotorik willkürliche Bewegungen aus dem „roten Kern“ im Mittelhirn kommend, evolutionär alt, Aufgaben zunehmend vom T. corticospinalis übernommen ~ RM kontrollieren reflektorisch Halte- und Stützmuskulatur, aus dem Hirnstamm kommend Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 2 - Winter 2024/25 17  Absteigende Rückenmarksbahnen willkürliche Bewegungen reflektorische Bewegungen Gleichgewicht bei Lageänderungen Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 2 - Winter 2024/25 18  Feinmotorik > - Zerstörung genaue Austeuerung > einzelne Fingerbew nicht mehr - * Ersatzbahr (0). so gut Steuerbar Fingermuskulatur Aber aufrechtes Sitzen und Stehen möglich gewisse Erholung möglich, die jedoch nach Durchtrennen des T. rubrospinalis rückgängig war → teilweiser Ersatz der Funktion der Pyramidenbahn durch T. rubrospinalis Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 2 - Winter 2024/25 19  Willkürmotorik  Entscheiden, Abwägen Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 2 - Winter 2024/25 20  + Kontrolle Planung, Programmierung und Ausführung komplexer Bewegungen "Banalganglien" Notwendig dazu: Kleinhirn und Basalganglien s # I versammlung [ Basalganglien Kleinhirn > Rückmeldung über Bew. - mehrerer Nervenzellen Planung in Verbindung mit in Verbindung mit sensomotorischen assoziativen Kortexfeldern: Kortexfeldern: „welche Bewegung ist Koordination und ordnungsgemäße angemessen?“ Durchführung der Bewegung Start und Ende Läsion des Kleinhirns: Läsion der Basalganglien: unkoordinierte, fahrige gestörter Start und Ablauf von Bewegungen Bewegungsprogrammen Dyssynergie (Bewegungen laufen (M. Parkinson) hintereinander ab, nicht gleichzeitig) Dysmetrie (unangepasstes Ausmaß der Bewegung) > - Test/ leicht greifen zu auch durch Alkohol verursacht Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 2 - Winter 2024/25 21  Motorische Funktionsschleife „was“ (prä)frontaler Kortex richtigen "Programm"finden &und auswählen Basalganglien z B. Kanirspielen Ausführung.... Welche Taste, wo ist (Striatum -> Pallidum) Taste , mi wil Druck Welcher Finger- , Selektion und Initiation willkürlicher VLo Bewegungen „wie“ „los“ Area 6 (supplementär-mot. Areale) VLo: Ncl. ventralis lateralis im Thalamus Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 2 - Winter 2024/25 22  Basalganglien 4 Kerne: 1. Striatum: Eingangs- und Verrechnungsstation zwei Teile: N. caudatus und Putamen 2. Globus pallidus (Pallidum) mit pars externa und pars interna 3. Substantia nigra 4. Nucleus subthalamicus > Zuspelung Ergebnis Bereich - in Liefer Cortex Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 2 - Winter 2024/25 23  Basalganglien Nucleus caudatus Thalamus Putamen Sub. nigra (Melatonin) Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 2 - Winter 2024/25 24  Rolle der Basalganglien gewünschte unerwünschte a Bewegungen unterdrucken Bewegungen a fordern Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 2 - Winter 2024/25 25  Aktivierende Verschaltung Antinimng@ , S Fordern eine aktives der hemmenden synapse Bremsing > - Bremser wird gebremst aktinite - Ausgang -gewuchte [ Bewegung gefordert Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 2 - Winter 2024/25 26  - Hemmende Verschaltung ↓ helteWegemuss neusies ist i ( Hemmung 6 --> Auswahl der Elemente, - GABA-Synapse die für eine Bewegung benötigt werden. Gewünschte werden verstärkt, störende unterdrückt Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 2 - Winter 2024/25 27  Möglichkeiten , Bew. zu fördern , hemmen Basalganglien Assoziativer Kortex Chorea Huntington (komische Bewegungen) (Veitstanz): + + + Glutamat Degeneration GABA-erger + Neurone  Hyperkinese Rückschaltung, Dopamin (Putamen) StriatumD2 + - verständ Enthemmung +D1 Go GABA + GABA + Substanz P Enkephalin GABA + - - Substanz P - - - Globus Globus pallidus pallidus Substantia Glutamat Glutamat externa interna nigra + + - GABA - GABA GABA - Nucl. + - subthalam- motorischer icus - Sub. nigra Thalamus (VLo) „los“ Ballismus: Ausfall des direkter Weg, N. subthalamicus  überschießende - Reaktionen  Enthemmung des mot. Thalamus Hemmung fall  Dopa verstärkt Enthemmung weg Motorkortex-Areale indirekter Weg,  vertiefte Hemmung Ausfall der dopaminergen Neurone der Sub. nigra des mot. Thalamus führt zur überschießenden Hemmung des motorischen Thalamus  Morbus Parkinson (1 % der >50-jährigen)  Dopa enthemmt Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 2 - Winter 2024/25 28  M. Parkinson substantia nigre mit Chorea Huntington Dopamin - "Zellen" geht zugrunde M => zu starke Bew hemmungen. Gerald Schwerdt, JBI Halle Vorlesung ZNS 2 - Winter 2024/25 29  Morbus Parkinson Aufnahme und Speicherung von L-Dopa beim Gesunden und beim Parkinson-Patienten (L-Dopa passiert die Blut-Hirnschranke --> Therapie) Foopamin fehlt Therape & : · Dopamin verabreiche Striatum