Nervensystem

1
Nervensystem
ist übergeordnete Steuerungs- und
Kontrollinstanz des Körpers besteht aus
Nervenzellen und Stützzellen (z. B. Glia) hat
drei Hauptfunktionen Reizaufnahme Reizintegr
ation, Interpretation, Handlungsplanung Bewegun
gssteuerung
2
Elementare Aufgaben des ZNS bzgl. Außenwelt
3
Aufbau des Nervensystems
ZNS besteht zu 80 aus Zellen, 20
Extrazellulärsubstanz Zentrales Nervensystem
(ZNS) peripheres Nervensystem Gehirn
Hirnnerven Rückenmark Spinalnerven
---------------------------------------
sensorische Nerven
(afferent) somatisch
viszeral motorische Nerven
(efferent) somatisch
autonom (viszeral)
4
Organisationsebenen des ZNS
5
Autonomes und (somatisches) Nervensystem
6
Stützzellen (Glia) im PNS

• 2 Typen in Peripherie (PNS), 4 Typen im ZNS
• Aufgaben Ernährung der Nervenzellen /
  Stützstrukturen /
• Elektrische Isolation / Leitstrukturen während
  Wachstum
• Schwann-Zellen
• umgeben größere Nervenfasern
• erzeugen Myelin-Scheiden
• funktionell ähnlich den Oligodendrozyten
• essentiell für Regeneration peripherer Nerven
• Satelliten-Zellen
• umhüllen Neurone in Ganglien
• Funktion weitgehend ungeklärt

7
Stützzellen (A) Schwannsche Zellen
Satellitenzellen
8
Stützzellen (Neuroglia) im ZNS
Astrozyten (ZNS) sternförmig häufigster
Typ wichtig für Stoffaustausch mit Kapillaren,
als Leitstrukturen, K- und Neurotransmitter-Dea
ktivierung Signalweiterleitung über
gap- junctions und intrazelluläre
Ca-Pulse Mikroglia dornenbesetzte
Fortsätze eliminieren Mikroorganismen tote
Nervenzellen (-gt Makrophagen (Phagocytose))
Immunsystem ohne Zugang zum ZNS Ependymale
Zellen kleiden Liquorräume von Gehirn und
Rückenmark aus Oligodendrozyten produzieren
Myelin-Scheiden im ZNS
9
Stützzellen (B) Astrozyten und Mikroglia
10
Stützzellen (C) Ependym-Zellen und
Oligodendrozyten
11
Nervenzell-Histologie
Nervenzellen übermitteln Information mittels
elektrischer Prozesse sind extrem langlebig, d.
h. gt 100 Jahre sind amitotisch - kein Ersatz
bei Tod (Ausnahme olfaktorische Neurone, einige
Hippokampus-Neurone) sehr hohe
Stoffwechselrate, benötigen ständig reichhaltige
Zufuhr von Glukose und Sauerstoff (wenn Zufuhr
fehlt, Zelltod nach wenigen Minuten) sind in
der Regel große, reich verzweigte Zellen, mit z.
T. ca. 1 m langen Ausläufen (Axonen) bestehen
i. d. R. aus Dendrit (Eingang), Zellkörper
(Integration) und Axon (Ausgang)
12
Struktur eines motorischen Neurons
13
(Nerven-)Zellkörper
Synonyme Zellkörper Perikaryon
Soma Durchmesser 5 bis 140 µm enthält
Nukleolus -gt Biosynthese/Zytoplasma/übliche
Organellen außer Centriolen sehr stark
ausgeprägtes rauhes endoplasmatisches Retikulum
(Nissl- Substanz) Zellansammlungen im ZNS
heißen Nucleus (Kern) Zellansammlungen im PNS
heißen Ganglion
14
Nervenzell-Fortsätze (a)
ZNS hauptsächlich Zellkörper PNS
hauptsächlich Zell-Fortsätze Bündel von
Fortsätzen Trakt (ZNS) bzw. Nerv
(PNS) Dendriten in der Regel kurz (insb. bei
Motor-Neuronen oft mit .Spines) leiten
graduierte Potentiale enthalten fast alle
Organellen-Typen Ausdehnung bestimmt das
rezeptive Feld
15
Nervenzell-Fortsätze (b)
Axone i. d. R. nur 1 Axon/Nervenzelle u. U.
lang verästelt (Axon-Kollateralen) beginn
t am Axonhügel (dort Entstehung des
Aktionspotentials) enden in bis zu 10.000
Axon-Terminalen (Buttons) enthalten gleiche
Organellen wie Soma Dendrit, außer Golgi
Nissel (-gt keine Protein-Synthese) Versorgung
vom Kern (aktiver axonaler Transport) mit
Membran-Ersatz, Mitochondrien, Enzymen
ect. Kinderlähmung/Herpes simplex/Tetanus-Toxin
werden durch retrograden Transport zum Kern
gebracht
16
Myelin-Scheiden
insb. für dicke Nervenfortsätze
(Axone) weißliches Lipo-Protein als elektrische
Isolation Beschleunigung der Nervenfortleitung
bis ca. Faktor 100 -gt bis 150 m/s durch
Schwann-Zellen gebildet (rollen sich um
Axon) Membranen enthalten keine Kanäle/wenig
Protein -gt gute Isolation äußerste Lage der
Schwann-Zellen Neurilemma in regelmäßigen
Abständen (ca. 1 mm) Myelin-freie Axonbereiche
Ranviersche Schnürringe (dort
Kollateralen) Nervenfasern, die von
Schwann-Zellen ohne Einrollung umhüllt
werden, heißen unmyelinisiert (bis 15
Axone/Schwannzellen) im ZNS Myelin-Scheiden
gebildet durch Oligodendrozyten
(nicht Schwann-Z.). Dort bis zu 60
Neurone/Oligodendrozyt, Schnürringe in größerem
Abstand, kein Neurilemma, weiße Substanz.
17
Schwannsche Zelle und Axon im peripheren Nerv
18
Klassifikation von Nervenzellen
strukturell funktionell multipolar (99
aller Neurone) sensorisch ( afferent zum
ZNS) drei oder mehr Fortsätze überwiegend
unipolar, Zell- (1 Axon, gt 1 Dendriten) körpe
r liegen nicht im ZNS bipolar (in
Sinnesorganen) motorisch ( efferent vom
ZNS zwei Fortsätze (Axon, weg) Dendrit)
zu Muskeln Drüsen unipolar (oder
pseudounipolar) meist multipolar, Zellkörper
im T-förmiger Fortsatz nur Axon ZNS hpts.
in peripherem senso- Interneurone (hpts. im
ZNS) rischem Ganglion 99 der Neurone
des Körpers multipolar
19
Vergleich von Neuronen-Typen (A)
20
Vergleich von Neuronen-Typen (B)
21
Vergleich von Neuronen-Typen (C)
22
Grundlagen der Bio-Elektrizität
Nervenzellen erzeugen passiv fortgeleitete oder
aktive Aktions-Potentiale Körper ist insgesamt
elektrisch neutral, besitzt aber
unterschiedlich geladene Kompartimente (vgl.
Batterie) Potential-Differenz wird in V oder mV
( 0,001 V) gemessen Stromfluss (I) nimmt zu
mit Potential-Differenz (V) und nimmt ab mit
Widerstand (R) (Ohmsches Gesetz I V/R) im
Körper beruht Stromfluss i. d. R. auf Bewegung
von Ionen, nicht von freien Elektronen,
normalerweise durch Membranen hindurch Membran-K
anäle (passiv lt-gt aktiv ( gated)) lassen i. d.
R. nur einen Ionen-Typ passieren Ionen bewegen
sich entlang chemischer und elektrischer
Gradienten
23
Funktionsweise gesteuerter Kanäle (A)
24
Funktionsweise gesteuerter Kanäle (B)
25
Potentialdifferenz zwischen Neuron und Umgebung
26
Ruhepotential
Innenseite der Nervenmembran ist relativ zur
Außenseite ca. -40 mV bis -90 mV
geladen geringere Na und höhere
K-Konzentration als außen innen mehr negative
Proteine (A-) außen mehr Cl- bedingt durch
Na/K-Pumpe und differenzielle Permeabilität der
Nerven- membran (in Ruhe 75fach permeabler für
K als für Na, frei permeabel für Cl- alle
potentialabhängigen Kanäle geschlossen) K
(und Na) folgt osmotischem Gradienten innen
weniger positive Ionen negative Ladung hängt
ab von Membran-Permeabilität und
Ionen-Konzentrationen Depolarisation
Reduktion des Membranpotentials (weniger
negativ/bzw. positiv) Hyperpolarisation
Verstärkung des negativen Potentials
27
Grundlagen des Ruhepotentials
28
Signal-Potentiale
Graduierte Potentiale -gt lokal
(Dendriten/Rezeptoren), kurzlebig (z. B.
Generator-Potentiale, postsynaptische
P.) Ausbreitung innen und außen entlang der
Membran schneller Abfall mit Entfernung vom
Entstehungsort Aktionspotentiale (in Nerven-
und Muskelzellen) (Dauer ca. 1
ms.) kurzdauernde Umkehr des Membranpotentials
(von -70 mV auf 30 mV) vorübergehende
Erhöhung der Na-Permeabilität (Depolarisation
erster von 2 Na-Kanälen), gefolgt
von Wiederherstellung der Na-Impermeabilität
und kurzzeitige Erhöhung der K-Permeabilität
(Repolarisation/Hyperpolarisation/ Refraktär-Per
iode) Schwelle für Aktionspotential (
Selbst-Verstärkung der Depolarisation) ca -50
bis -55 mV (Na Permeabilität 1000fach höher als
in Ruhe) Na-Einstrom für Schwelle ca. 0,01
Konzentrationsänderung der intrazellulären Na-Ko
nzentration -gt durch Na/K- schnell kompensiert
29
Depolarisation Hyperpolarisation der Membran
30
Fortleitung des Aktionspotentials
Umkehr des Membranpotentials führt zu
Ionenverschiebungen zu/von benachbarten
Membranabschnitten dadurch Depolarisation
benachbarter Membranabschnitte -gt
Generierung eines Aktionspotentials bei
Erreichen der Schwelle (Domino-Effekt) (Nicht
in den kurz zuvor depolarisierten Abschnitten
Refraktärzeit) Aktionspotential-Fortleitung
folgt völlig anderem Prinzip als Leitung
von Strom in (elektrischen) Leitungen -gt
wesentlich langsamer Alles oder
Nichts-Prinzip der Membranerregung Schwelle
muss erreicht werden (K-Strom entspricht
Na-Strom), d. h. Eingangsreiz muss ausreichend
stark sein (ähnlich Feuer-Anzünden) -gt
Frequenz-Kodierung der Reizstärke
31
Lokale Depolarisation der Membran
32
Weiterleitung der lokalen Membran-Depolarisation
33
Abfall der lokalen Depolarisation mit der
Entfernung
34
Vier Phasen des Aktions-Potentials (AP)
35
Fortleitung eines Aktionspotentials (A)
36
Fortleitung eines Aktionspotentials (B)
37
Fortleitungsgeschwindigkeit
hängt ab von Axondurchmesser (Längswiderstand)
und Myelinisierung (Isolation) schnellste
Fasern (z. B. Körperstabilisierung) 150
m/s langsame Fasern (z. B. Darmsteuerung) 1
m/s saltatorische Fortleitung Stromfluss
quer zur Membran an Schnürringen geringerer
Abfall der Potentialdifferenz mit Abstand als
ohne Isolation drei Klassen von Fasern A
bis 150 m/s überwiegend somatosensorisch/motorisc
h sehr dick B ca. 15 m/s dünne
somatosensorische Fasern (Berührung/Schmerz) C
1 m/s oder weniger sehr dünn, nicht
myelinisiert Multiple Sklerose (MS), eine
Auto-Immun-Erkrankung, zerstört Myelin- Scheiden
-gt Verzögerung bis Verhinderung der
Impuls-Fortleitung (Axone selbst bleiben
intakt) Verzögerung der Fortleitung durch
Alkohol/Sedativa/Anästhetika/Druck/Kälte durch
Verminderung der Na-Permeabilität der
Membran Verzögerung der Fortleitung an Synapsen
für 0,3 - 5 ms.
38
Reizstärke und Entladungsfrequenz
39
Saltatorische Reizfortleitung
40
Typen chemischer Synapsen
41
Elektrische Synapsen
Synapsen im allgemeinen meist zwischen Axon
(präsynaptisch) und Dendrit/Soma
(postsynaptisch) (Axo-denritisch,
Axo-somatisch) selten Axon -gt Axon, Dendrit -gt
Dendrit / Dendrit -gt Soma Elektrische Synapsen
(seltener) ( gap-junctions) enthalten
Protein-Kanäle, die Zytoplasma benachbarter
Zellen verbinden bewirken sehr schnelle
elektrische Kopplung der Zellen verbreiteter
in embryonalen Gehirnen bei Erwachsenen z. B.
für Sakkaden-Generierung
42
Chemische Synapsen
funktionieren mittels Neurotransmittern, die
auf Ionenkanäle einwirken (keine elektrische
Koppelung) -gt Einbahnstraße Ca-Kanäle öffnen
sich im präsynaptischen Axon-Terminal als
Folge des Aktionspotentials (zusätzlich zu
Na-Kanälen) Ausschüttung von
Neurotransmitter durch Exozytose (ca. 300
Vesikel), Elimination von intrazellulärem
Ca Neurotransmitter bindet an
postsynaptische Rezeptoren Ionen-Kanäle in
der postsynaptischen Membran öffnen sich -gt
Erregung (EPSP) oder Hemmung (IPSP), abhängig
vom Typ der Rezeptoren Beendigung der
Neurotransmitter-Wirkung durch enzymatischen
Trans- mitter-Abbau/Wiederaufnahme
(Astrozyten/Präsynapse)/Diffusion bestehen aus
präsynaptischem Axon-Terminal mit synaptischen
Vesikeln und postsynaptischer
Rezeptoren-Region (auf Dendrit oder
Zellkörper). Dazwischen synaptischer Spalt
(30-50 nm breit)
43
Folgen der Depolarisation einer Synapse
44
Postsynaptische Potentiale
45
Postsynaptische Potentiale (PSP)
postsynaptische Rezeptoren öffnen spez. Kanäle
Umwandlung chemischer in elektrische
Signale postsynaptische Potentiale sind relativ
unempfindlich gegenüber Membranpotential (?
Aktionspotential) -gt keine positive
Rückkoppelung Graduierte Potentiale, Größe
abhängig von Transmittermenge Exzitatorische
postsynaptische Potentiale (EPSPs) Depolarisati
on der postsynaptischen Membran durch Öffnung
eines Kanals, der für K und Na permeabel
ist keine Refraktär-Periode!, aber zeigt
postsynaptische Summation kein
Aktionspotential, Depolarisation max. bis 0
Volt Inhibitorische postsynaptische Potentiale
(IPSPs) Unterschied zu EPSPs Öffnung von
(weiteren) K (und/oder Cl-)-Kanälen -gt
Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran
bis ca. -90 mV
46
Integration an Synapsen
mehr als 1 EPSP erforderlich für
Aktionspotential Summation über Synapsen (Raum)
und Zeit Integration von EPSPs und IPSPs am
Axonhügel Effektivität von Synapsen hängt ab
vom Abstand vom Axonhügel Über-lineare
Summation Synaptische Potenzierung (11 3)
vermutlich über Ca ? in Prä- und Postsynapse
NMDA-Rezeptoren-vermittelt möglicherweise
Substrat von Lernen zusätzliche
Effizienzerhöhung dendritischer Eingänge (über
Rückwärts- Aktionspotential) nach Erzeugung
eines Aktionspotentials Präsynaptische
Modulation über axo-axonale Synapsen -gt weniger
Transmitter- Ausschüttung Neuromodulation
Transmitter bewirkt (langsame) Veränderungen im
Stoffwechsel der Zielzelle (Transmitter-Synthese/
Freisetzung/Wiederaufnahme)
47
Integration von EPSPs und IPSPs
48
Neurotransmitter
z. Z. ca. 50 verschiedene Neurotransmitter
(oder NT-Kandidaten) bekannt viele Neurone
produzieren zwei oder mehr verschiedene
Transmitter! verschiedene Transmitter für
unterschiedliche Reizfrequenzen Klassifikation
aufgrund chemischer Struktur Acetylcholin
(ACh) (z. B. motorische Endplatte, autonomes
NS) Biogene Amine (z. B. Katecholamine
(Dopamin / Adrenalin / Noradrenalin /
Serotonin / Histamin)) Aminosäuren
(GABA/Glyzin/Glutamat/Aspartat, nur im ZNS)
NO (Stickoxid) ATP CO (NO evtl. für
Rückmeldung an Präsynapse Hebb!) Klassifikation
aufgrund von Funktion erregend versus
hemmend in Abhängigkeit vom Rezeptor kann
Wirkung eines Transmitters sich
umkehren direkt (Öffnen von Ionen-Kanälen)
versus indirekt (über intrazellulären second
messenger)
49
Syntheseweg einiger Neurotransmitter
50
Neurotransmitter Rezeptor-Mechanismus
51
Neuronale Integration
Neuronenverbände haben unterschiedliche
Verschaltungsmuster Divergenz/Konvergenz rüc
kgekoppelt/oszillierend (-gt Rhythmische
Aktivität) parallel mit Nach-Erregung seriell
e Verarbeitung hierarchisch oft ohne
Rückkoppelung, z. B. Reflexe parallele
Verarbeitung mehrere parallele,
gleichberechtigte Verarbeitungswege
52
Verschaltungstypen (A) Divergenz
53
Verschaltungstypen (B) Konvergenz
54
Verschaltungstypen (C) Rückgekoppelt/ Parallel
55
Einfacher Reflexbogen