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Grundlagen der Neurophysiologie Nervensystem Zelltypen: Neuronen (Nervenzellen) Gliazellen Zelltypen Neuronen (Nervenzellen) Bildung, Verarbeitung, Weiterleitung und Übertragung elektrischer und chemischer Signale Gliazellen (heterogene Gruppe von Zellen) Astrozyten – versorgen Neuronen mit Ene...

Grundlagen der Neurophysiologie Nervensystem Zelltypen: Neuronen (Nervenzellen) Gliazellen Zelltypen Neuronen (Nervenzellen) Bildung, Verarbeitung, Weiterleitung und Übertragung elektrischer und chemischer Signale Gliazellen (heterogene Gruppe von Zellen) Astrozyten – versorgen Neuronen mit Energie, K+- Homöostase, Synapsenabschirmung, Blut-Hirn-Schranke, Wachstumsfaktoren Oligodendrozyten – bilden Myelinscheide der Axone im ZNS Mikroglia – gehören zum Immunsystem, Freßzellen, regulieren Entzündungs- und Abwehrprozesse Schwann-Zellen – bilden die Myelinscheide im PNS Duale Reihe Physiologie Transport in Nervenzellen (axoplasmatischer Transport) anterograd (vom Zellkörper zur Synapse) schnell • Vesikel mit Proteinen und Zellorganellen • mit Hilfe von Kinesinen • 400mm/Tag retrograd (von der Synapse zum Zellkörper) langsam • Komponenten des Zytoskeletts und Enzyme • bis 10mm/Tag • bis zu 200mm/Tag • mit Hilfe von Dyneinen • wichtig für Proteinsynthese im Zellkörper, nach Nervenschädigung, für den Transport von Viren • Bsp: neurotrope Viren (Polio-Virus, Herpes-simplex-Virus) schnell langsam retrograd eduvinet.de Spannungsgesteuerte Ionenkanäle Ionenkanäle deren Zustände „offen“ und „geschlossen“ vom Membranpotential abhängen Na+-, K+-, Ca2+- und Cl--Kanäle Selektivität: • Durchmesser der Kanalporen (Ionen müssen ihre Hydrathülle abstreifen) • Ladung der Kanalwand (z.B. negativ bei Na+ ) Na+Kanal K+ Kanal Duale Reihe Physiologie Aktivität: • berechnet sich aus der pro Öffnung durchströmenden Ionenzahl und der Offenwahrscheinlichkeit • bei spannungsgesteuerten Kanälen steigt die Offenwahrscheinlichkeit bei Depolarisation an Aktivierbarkeit: • S4 Segment ist positiv geladen, bei Depolarisation bewegt es sich zur Außenseite der Membran, dadurch öffnet sich die Pore Beispiele aus der Natur TTX Dendrotoxin Aktionspotential Auslöser: Reiz, der zur Öffnung von Kationenkanälen führt Kationeneinstrom Alles oder Nichts-Prinzip! Depolarisation der Membran Erreichen einer Schwelle sämtliche verfügbaren Na+-Kanäle werden schnell aktiviert Schließen der Na+-Kanäle und verzögerte Öffnung der K+-Kanäle Schließen der K+-Kanäle Duale Reihe Physiologie Dauer und Refraktärzeit von Aktionspotentialen Refraktärzeit: im Anschluss an ein Aktionspotential, keine Erregbarkeit Schmidt Thews, Physiologie • absolute Refraktärzeit: Na+-Kanäle sind inaktiviert, kein AP kann ausgelöst werden • relative R: erhöhte Reizschwelle, noch nicht alle Na+-Kanäle sind wieder bereit, deshalb geringere Amplitude Erregungsweiterleitung I • elektrotonische Erregungsleitung • kontinuierliche Erregungsweiterleitung • saltatorische Erregungsweiterleitung Erregungsweiterleitung II elektrotonische Erregungsleitung Geschwindigkeit der Ausbreitung ist abhängig von • Membranwiderstand: hoher Widerstand -> schnellere Leitung • Membrankapazität: lokale Depolarisation -> elektrisches Feld, kontinuierlicher Ladungsmenge/Spannung, die die Membran Ladungsausgleich, schnelle Fortleitung aufnimmt je geringer -> schnellere Leitung keine Refraktärzeit, deshalb sind die Potentiale summierbar • innerer Längswiderstand: je geringer, desto schnellere Leitung Bsp: Dendriten für kurze Entfernungen (oft nur wenige Hundertstel mm) unterschwellige Potentialänderung ohne Aktionspotential Reichweite einer Potentialausbreitung ist abhängig von • Längskonstante: berechnet sich aus Membranwiderstand, innerem Längswiderstand und Durchmesser der Nervenfaser ist proportional zur Reichweite Erregungsweiterleitung III kontinuierliche Erregungsleitung bei nicht myelinisierten Nervenfasern schlecht isoliert, deshalb elektrotonische Potentialausbreitung nur gering ständige Neubildung von Aktionspotentialen langsam (1m/s) Geschwindigkeit der Ausbreitung ist abhängig von • Membranwiderstand: hoher Widerstand -> schnellere Leitung • Membrankapazität: Ladungsmenge/Spannung, die die Membran aufnimmt je geringer -> schnellere Leitung • innerer Längswiderstand: je geringer, desto schnellere Leitung Leitungsgeschwindigkeit kann durch erhöhten Durchmesser der Nervenfaser gesteigert werden (verringert den inneren Längswiderstand) Duale Reihe Physiologie je größer der Faserdurchmesser, desto höher die Leitungsgeschwindigkeit Erregungsweiterleitung IV saltatorische Erregungsleitung bei myelinisierten Nervenfasern Kombination aus aktiven und passiven Erregungsleitungen Myelinschicht: hoher Membranwiderstand und geringe Membrankapazität ->ideal für elektrotonische Leitung hier entstehen keine AP, àAmplitude wird immer kleiner, bis sie den Schnürring erreicht. Ranvier-Schnürringe: unterbrechen die Myelinschicht hier befinden sich sehr viele spannungsabh. Na+-Kanäle à erreicht die Erregung einen Schnürring, entsteht ein AP Erregung „springt“ von Schnürring zu Schnürring Duale Reihe Physiologie Klinik Verlust der Myelinschicht Multiple Sklerose Polyneuropathien (Diabetes, Alkohol) Duale Reihe Physiologie Messung der Nervenleitgeschwindigkeit über 2 Elektroden auf der Haut neurologie-albertusmagnus.de Synaptische Übertragung – elektrische Synapsen „Gap Junction“ Erregung kann in beide Richtungen übertragen werden Übertragung nahezu ohne Zeitverlust Öffnung der Kanalporen kann über pH-Wert und intrazell. Ca2+ -Konzentration gesteuert werden Synchronisation von Zellaktivität, z.B in Herzmuskelzellen Duale Reihe Physiologie Synaptische Übertragung – chemische Synapsen präsynaptisch Umwandlung des elektrischen Signals in ein chemisches Signal Neurotransmitter syn. Vesikel Ionenpumpe spannungsabh. Kanal Zytoskelett Präsynapse postsynaptisch wieder Umwandlung in ein elektrisches Signal gerichteter Informationsfluss postsyn. Rezeptor synaptischer Spalt Postsynapse spezifisch (je nachdem welcher Neurotransmitter) Verzögerung der Signalübertragung modulierbar Quelle: Wikipedia Synaptische Übertragung – Rezeptoren ionotrop (Ionenkanäle), werden durch Bindung eines Transmitters geöffnet frühe und kurze Wirkung nikotinischer Acetylcholinrezeptor metabotrop, G-Protein gekoppelt, lösen eine Signaltransduktionskaskade aus diese führt zur Öffnung von Ionenkanälen spätere und längere Wirkung Duale Reihe Physiologie muskarinischer Acetylcholinrezeptor Synaptische Übertragung – Transmitterfreisetzung Duale Reihe Physiologie Depolarisation durch eintreffende Aktionspotentiale Öffnung spannungsabh. Ca2+ -Kanäle Ca2+ bindet an Synaptotagmin, dies führt zur Verschmelzung des Vesikels mit der Plasmamembran Freisetzung des Transmitters im synaptischen Spalt Endozytose der leeren Vesikel Synaptische Übertragung – Transmitterfreisetzung Depolarisation durch eintreffende Aktionspotentiale Öffnung spannungsabh. Ca2+ -Kanäle Ca2+ bindet an Synaptotagmin, dies führt zur Verschmelzung des Vesikels mit der Plasmamembran Freisetzung des Transmitters im synaptischen Spalt Duale Reihe Physiologie Endozytose der leeren Vesikel präsynaptische Modulation: Anzahl der bereitstehenden Vesikel Fusionswahrscheinlichkeit der Vesikel (normal 5%) Inhalt des Vesikels (Menge) Bsp. Tetanustoxin Synaptische Übertragung – Neurotransmitter Aminosäuren: Glutamat, Aspartat, GABA, Glycin biogene Amine: Serotonin, Histamin, Dopamin, Adrenalin, Noradrenalin Acetylcholin: Haupttransmitter an der neuromuskulären Endplatte werden in Vesikeln gespeichert ihr Effekt hängt von der Art der geöffneten Kanäle ab: exzitatorisch (z.B. Glutamat) – führt zur postsynaptischen Depolarisation (Na+ -Einstrom) inhibitorisch (z.B. GABA) – führt zur postsynaptischen Hyperpolarisation (Cl- -Einstrom) Quelle: Repetico.de Synaptische Übertragung – Modulatoren Neuromodulatoren modulieren die Intensität und Dauer der Transmittereffekte Neuropeptide: es gibt ca. 100 verschiedene z.B. Endorphin, Morphin werden als Vorläufer synthetisiert und dann in die Präsynpse transportiert gemeinsam mit Transmittern ausgeschüttet wirken synergistisch ATP CO und NO Duale Reihe Physiologie Synaptische Übertragung – postsynaptische Erregung postsynaptische Potentiale breiten sich elektrotonisch bis zum Axonhügel aus dort werden alle Potentiale aufsummiert bei Überschreiten der Reizschwelle wird ein AP aufgebaut postsynatische Modulation: Erhöhung der Leitfähigkeit der Ionenkanäle (Ansatzpunkt für Medikamente – Ketamin, Barbiturate, Antiepileptika) vermehrter Einbau von Rezeptoren in die postsynaptische Membran (synaptische Plastizität) Duale Reihe Physiologie Synaptische Übertragung enzymatischer Abbau von Transmitterstoffen Wiederaufnahme in die Präsynapse oder benachbarte Gliazellen Diffusion ins Interstitium Verbleibt der Neurotransmitter zu lange im synaptischen Spalt: kommt es irgendwann zur Desensitisierung dann wird der Kanal trotz Ligandenbindung geschlossen Bsp. Kokain – hemmt die Wiederaufnahme von Noradrenalin und Dopamin aus dem synaptischen Spalt psychische Effekte Schlaflosigkeit Euphorie, Appetitverlust, Silbernagl Physiologie Motorische Endplatte synaptische Verbindung zwischen a-Motoneuronen und Skelettmuskel keine typische Synapse, aber sehr gut untersucht 1:1 Synapse, d.h. jedes Aktionspotential im Neuron führt zu einer Kontraktion im Muskel Transmitter: Acetylcholin (ca. 10.000 Moleküle) Duale Reihe Physiologie Motorische Endplatte synaptische Verbindung zwischen a-Motoneuronen und Skelettmuskel keine typische Synapse, aber sehr gut untersucht 1:1 Synapse, d.h. jedes Aktionspotential im Neuron führt zu einer Kontraktion im Muskel Transmitter: Acetylcholin (ca. 10.000 Moleküle) binden an nikotinergen Ach-Rezeptor EPSP -> Na+ -Kanäle öffnen sich -> AP Abbau von Ach durch die Acetylcholinesterase Hemmer: Botulinumtoxin blockiert die Vesikelentleerung Curare bindet kompetetiv an ACh Rezeptoren, ohne diese zu aktivieren Acetylcholinesterasehemmer erhöhen ACh Konzentration im Spalt Succinylcholin wirkt wie ACh, wird aber langsamer abgebaut -> Dauerdepolarisation mit Lähmung Duale Reihe Physiologie Motorische Endplatte Öffnung des ACh Kanals abhängig von ACh Konzentration 1 offener Kanal 1 entleertes Vesikel (Tausende von Rezeptoren) 100 Vesikel (200.000 Kanäle) Silbernagl Physiologie Signalverarbeitung 100 Milliarden Nervenzellen mit je 1.000-10.000 Synapsen! Duale Reihe Physiologie Signalverarbeitung – postsynaptische Hemmung Rückwärtshemmung: Vorwärtshemmung: • ein inhibitorisches Neuron wird von einem exzitatorischen Neuron erregt und hemmt dieses wieder • Hemmung der Aktivität einer nachgeschalteten Nervenzelle • Bsp. Renshaw-Zellen im Rückenmark Duale Reihe Physiologie Signalverarbeitung – präsynaptische Hemmung präsynaptische Hemmung: • häufig im Rückenmark zu finden • hemmende Synapse setzt am Endknöpfchen der erregenden Synapse an • verminderteTransmitterausschüttung • weniger APs Quelle: Repetico räumliche und zeitliche Summation Silbernagl, Taschenatlas Physiologie