Neurobiologie Flashcards
Ionenkanäle unterscheiden sich in ihren Öffnungsmechanismen! Nennen Sie verschiedene Mechanismen.
Aktivierung des Ionenkanals durch PHOSPHORYLIERUNG des Kanalproteins, z.B. Na+ K+ ATPase
Aktivierung durch LIGANDENBINDUNG an extrazellulären Domäne des Kanalproteins, z.B. Synapsen
Aktivierung durch Depolarisation des Membranpotentials → SPANNUNGSGESTEUERTER Ionenkanal, z.B. alle Nervenzellen
Aktivierung durch mechanischen Stress an Zelloberfläche → MECHANOSENSITIV Ionenkanal, z.B. mechanosensitive Sinneszellen
Wie können elektrische Messungen von einzelnen Kanälen durchgeführt werden?
patch-clamp-Technik (Einzelkanalableitung)
Messung von Strömungen durch einzelne Ionenkanäle
Worauf bezieht sich der Name Patch Clamp?
patch (Flicken): kleiner Membranausschnitt unter der Patch-Pipette (zugleich Messelektrode)
clamp (= festklemmen): Membranpatch wird bei der Messung auf vorgegebenen Potential gehalten
Welche Erkenntnisse ergab die Strukturanalyse des bakteriellen K+ -Kanals?
Kristallstruktur → Membranproteine kristallisieren nicht, nur im Bilayer gut zu sehen
selektiver Filter für K+ durch negativ geladene AS (Selektivitätspore)
Gift und Wirkung des Kugelfischtoxins?
Gift:
Tetrododoxin (TTX) → aus Kugelfisch-Leber
Wirkung:
blockiert Natriumkanäle
Funktionsweise des Natriumkanals.
- Ruhezustand:
Kanal ist geschlossen, aber aktivierbar
besitzt Aktivierungstor, zentral in Kanalpore (m-Tor) → wird durch überschwellige Depolarisation der Membran geöffnet
- Aktivierter Zustand:
Kanal offen & leitend
nur vorübergehend treten Na+ Ionen ins Cytosol über
denn nach 1-2 ms nach Kanalöffnung → spontanes & automatisches Schließen des 2. Tors des Kanals an cytosolischen Seite (h-Tor) → Ionenstrom unterbunden
- Aktiviert, aber nicht leitend:
m-Tor weiterhin geöffnet, Depolarisation besteht fort
stabiler Zustand → Repolarisation der Membran (Unterschreitung des Schwellenwertes)
Beschreiben Sie den Inaktivierungsmechanismus des spannungsabhängigen Na -Kanals.
ball-and-chain-Modell (inactivation gate)
- um Kanal wieder zu schließen wird zuerst ein “Ball” an einer “Kette” in Öffnung geschwungen
- dies führt zur langsamen Inaktivierung → dann schließt Kanal durch mechanische Klappe → Herausschwingen der Kugel
Verschluss erfolgt spontan, automatisch → Kanal ist nur Millisekunden geöffnet bis “Ball” Pore wieder verstopft.
Durch welche molekularen Mechanismen wird die spannungsabhängige Öffnung des spannungsabhängigen Na-Kanals bestimmt?
Kanalaktivierung durch Depolarisation des Membranpotentials
blitzartiges Öffnen der Kanäle, wenn bestimmter Schwellenwert (Erregungsschwelle) durch Depolarisation erreicht ist
je die 4. Transmembranregion (TM4 = S4) dieser Abschnitte bilden Spannungssensor des jeweiligen Kanalmoleküls
über Sensordomäne (bewegliches positiv polares Element) spannungsabhängiges Öffnen (& Schließen)
Welche Methoden können zur Charakterisierung von Ionenkanälen verwendet werden?
- patch-clamp-Methode (Einzelkanalableitung)
- Pharmakologie (z.B. TTX blockiert Na-Kanal)
- optische Verfahren
- molekulare Kanalanalyse
Wofür steht hERG & warum ist der damit bezeichnete Forschungsgegenstand medizinisch so wichtig?/ Was ist hERG & wie ergibt sich die klinische Relevanz des Gens?
hERG = human Ether-a-go-go Related Gene
hERG-Kanal: spannungsaktiver, auswärtsgleichrichtender Kaliumkanal in Herzmuskelzellen
Relevanz:
Erkrankungen (Kanalopathie), die durch veränderte Funktion/ Expression von Ionenkanälen verursacht wird
Ursachen: Mutationen von Kanaluntereinheiten (primäre Kanalopathien)
Kanalveränderungen → Long/ Short-QT-Syndrom (schwere Herzerkrankungen)
Welche Vorteile bietet Channelrhodopsin für die Stimulation von Nervenzellen?
genetisch codierbar → leicht einsetzbar
gezielt einsetzbar, keine Zellschädigung dabei
an Kanal gekoppelt → erregende/hemmende Wirkung
stabil
ermöglicht sehr schnelle & zuverlässige Depolarisation der Zelle
Was sind Conotoxine?
= Gruppe von Toxinen, die aus Gift von Meeresschnecken (Kegelschnecken-Gattung Conus) isoliertbar ist
Warum war GFP für die Zellbiologie so wichtig?
= Green Fluorescent Protein
genetische kodierbar
spektrale Varianten
photoresistent
big cross sections (Wirkungsquerschnitt)
hohe Quantenausbeute
Was sind die Vorteile von in-vitro Präparaten?
=Gewebeschnitte
Zellen gut erhalten, mechanische Stabilität, Pharmakologie gut nachvollziehbar, Visualisierung bei dünnen Schnitten vorteilhaft
Was versteht man unter der Neuronendoktrin?
von Cajal postuliert
Neurone sind tatsächlich voneinander getrennte anatomische Einheiten und bilden kein Synzytium → Nervensystem aus individuellen Zellen (Neuronen) aufgebaut
Skizzieren Sie die zelluläre Architektur und Signalverarbeitung im Nervensystem.
Nervensystem besteht aus Netz diskreter Recheneinheiten (Neurone)
Nervenzellen werden unterstützend von Gliazellen begleitet und stehen untereinander erregend oder hemmend über chemische und elektrische Synapsen in Verbindung
Informationseingang (Sensorik) → Informationsverarbeitung, Integration, Entscheidung (ZNS) → Ausgang, Verhalten (Motorik)
Benennen Sie die Bestandteile des Zytoskeletts und ihre jeweilige Funktion in einer Nervenzelle.
- Mikrotubuli
spiralförmiger Zylinder (ø 25 nm)
Stützfunktion und Vesikeltransport
- Neurofilamente (intermediär)
Faser, umeinander gewunden → bilden Spulen mit zunehmender Dicke
heterogenes Protein (5 Typen)
Stützfunktion
- Mikrofilamente (Aktinfasern)
Fasern mit kleinstem Durchmesser (ca. 7 nm)
Stabilisierung und Beweglichkeit (Flexibilität)
Axonaler Vesikeltransport: Welche Unterschiede gibt es zwischen anterogradem und retrogradem Transport?
A. anterograder Transport
vom Soma zur Synapse hin gerichtet
transportiert einzelne Vesikel
Transportproteine (molekularer Motor): Kinein
sehr schnell: bis zu 400 mm/Tag
langsam: < 10 mm/Tag
B. retrograder Transport
von Synapse zum Soma
transportiert Vesikel gebündelt als Multivesikularkörper
schnell: 200-300 mm/Tag
Transportproteine (molekularer Motor): Dynein
Transmitter: Abbauprodukte
Welche der folgenden Aussagen treffen für den anterograden Vesikeltransport in einer Nervenzelle zu?
Die Vesikel werden von der Synapse zum Soma transportiert
Kinesin bildet den molekularen Motor ✅
Die Transportgeschwindigkeit kann 200mm/d und mehr betragen ✅
Mikrofilamente bilden die Leitschienen für den Transport
Es werden nur Transmitter und Neuropeptide transportiert
Erläutern Sie in Stichworten die Typen und Funktionen von Gliazellen.
Astroglia:
Homöostase & Ernährung; an Blut-Hirn-Schranke; häufigste Form von Gliazellen
Mikroglia:
Phagozytose des Nervensystems; kleiner als Astrocyten
Oligodendroglia:
Myelinscheide mehrerer zentraler Axone
Schwannsche Zellen:
Myelinscheide einzelner peripherer Axone
Olygodendrocyten & Schwannsche Zellen bilden elektrische isolierende Hülle, aus lipidreichen Material → Myelin
Funktionen von Gliazellen:
* Stützfunktion; Beseitigung von Zellen, Reperatur & Regeneration von beschädigten Neuronen
- elektrische Isolierung von Axonen (Myelinisierung)
- Homöostase (pH-Wert, Ionenkonzentration,
- Transmitteraufnahme, Stoffaustausch)
- Entwicklung (Landmarken für auswachsende Neurone)
Welche Aufgabe hat die Blut‐Hirn‐Schranke und durch welche Barrieren wird sie gebildet?
zentrale Aufgabe der BHS: mechanische und physiologische Barriere
Barriere:
* Gehrinkapillare von Endothelzellen abgedichtet
- Endothelzellen durch tight junctions abgedichtet → verhindern Übertritt größerer Moleküle oder Proteine von Blutkapillaren in Neurone
- Astrozytfortsatz (Astrogliazellen) umgibt Gehirnkapillare & schleust benötigten Substanzen über selektiven Transport von Endothelzellen
Wie können elektrische Messungen einzelner Kanäle durchgeführt werden?
EInzelkanalableitungen per Mikropipette (patch clamp)
Welche Messverfahren für intrazelluläre Potentiale kennen Sie? Was sind die wichtigen Unterschiede?
Ganzzellmessung mittels Mikropipette (mit Dialyse der Zelle)
scharfe Mikroelektrode (wird im Membran gerammt)
Wie können synaptische Ca-Signale gemessen werden?
mittels synthetischer oder genetisch kodierbarer Calciumindikatoren (GCaMP aus GFP, Calmodulin & M13)
gekoppelt mit Fluoreszenzfarbstoffen
Indikatoren reagieren auf Ca-Bindung mit Veränderung der Helligkeit
Ca2+ in jeder Nervenzelle, Konzentrationsänderung durch elektrische Signale
Nennen Sie genetische Methoden zur Zellstimulation
Hemmung oder Erregung durch Kanalrhodopsin
Oberflächenstimulation
Transcranial magnetic stimulation (TMS) → nicht invasiv, Gehirn im Magnetfeld
Mikrostimulation → Mikroelektroden, µA
Warum kann man mit konventioneller Mikroskopie zelluläre Vorgänge im intakten Gehirn nicht untersuchen?
Gehirngewebe streut Licht zu stark
entweder sehr dünne Schnitte oder Konfokal- oder Zweiphotonenmikroskop
Wie beschränkt man im Konfokalmikroskop bzw. im Zweiphotonenmikroskop die Bildgebung auf die Focusebene?
A. Konfokalmikroskopie
Licht durch Lochblende gestrahlt
Licht außerhalb der Fokusebene wird zurückgewiesen → Herausfiltern der Streuphotonen durch zusätzliche Blende
Nachteil: trotzdem noch Photonen außerhalb des Fokus (photobleaching und -damage)
B. Zweiphotonenmikroskopie gepulster Infrarotlaser (nur ein einziger Lichtpunkt, verhindert unerwünschte Photonen)
Fluorophor gleichzeitig mit 2 Photonen getroffen → visuelle Fluoreszenz angeregt
Zweiphotoneneffekt hängt extrem von der Photonendichte (Lichtintensität) ab
Vorteil: nur sichtbare Photonen im Fokus → kein photodemage
Welche zwei Mechanismen erhöhen die Leitungsgeschwindigkeit in Axonen?
Längswiderstand Ri verringern
Querwiderstand Rm vergrößern
Beschreiben Sie die elektrischen Eigenschaften der Membran-Lipid-Bilayers.
nicht leitfähig (großer Widerstand) → hydratisierte Ionen können Bilayer nicht durchdringen
kapazitative Eigenschaften (Plattenkondensator)
semipermeabel für Ionen
kapazitative Eigenschaften der Zellmembran verzerren Zeitverlauf des Signals
Wie ergeben sich die kapazitiven Eigenschaften der Nervenzellmembran?
Membrankondensator → Zellmembran als isolierendes Dielektrikum
dünner durchlässiger Lipidbilayer → guter Isolator, wirken wie 2 Kondensatorplatten
Wie ergeben sich die Tiefpassantworteigenschaften der Nervenzellmembran?
= Filter, die Signalanteile mit Frequenzen unterhalb ihrere Grenzfrequenz annähernd ungeschwächt passieren lassen & Anteile höherer Frequenzen dämpfen
langsame Stromflüsse werden nicht gefiltert, nur abrupte, schnelle Spannungsänderungen
Membran hat Widerstands- & kapazitativer Eigenschaften (parallel geschaltet)
Mit welchem Ersatzschaltbild kann man die elektrischen Eigenschaften von Neuronen darstellen?
Tiefpass mit parallel geschalteten, kapazitiven und Widerstandseigenschaften
elektrischer Widerstand → vorgegeben durch Membranleitfähigkeit
Beschreiben Sie die Ionenverhältnisse im intra‐ und extrazellulären Raum einer Nervenzelle, die für die Bildung des Ruhepotentials von Bedeutung sind.
Kalium
innen: 124 mM außen: 2 mM
Natrium
innen: 10 mM außen: 145 mM
weitere Katione
innen: 16 mM außen: 3 mM
Chlorid
innen: 4 mM außen: 104 mM
Anionen (Proteine, AS)
innen: 96 mM außen: 13 mM
weitere Anionen
innen: 50 mM außen: 33 mM
je 150 mM Kationen, 150 mM Anionen
Wie ergibt sich die Semipermeabilität der Zellmembran?
Semipermeabilität ergibt sich aus selektiven Eigenschaften der eingelagerten Proteinkanäle für bestimmte Ionen
Welche Unterschiede bestehen zwischen Ionenkanälen und Ionenpumpen?
A. Ionenkanäle
passive Ionenbewegung mit dem elektrochemischen Gradienten
keine externe Energie, schneller Transport
regulierbar durch Konfromationsänderung (gesteuert durch Temperatur, Liganden, Spannung, mechanisch, Licht oder ball-chain-Modell)
B. Ionenpumpen
aktive Ionenbewegung gegen Konzentrationsgradienten
Energieverbrauch (ATP, Licht-Absorption) → Konformationsänderung
langsamer Transport
selektiv durch Substratbindung (genaue Passform)
Nennen Sie einen aktiven (energieaufwendigen) Prozess, der an Entstehung des Membranpotenzials beteiligt ist.
elektrogene Natrium-Kalium-Pumpe
3 Na+ werden aus Zelle geschleust & 2 K+ gelangen in die Zelle unter 1 ATP-Verbrauch
Welche Faktoren sind für das Zustandekommen des Ruhepotentials einer Nervenzelle verantwortlich?
3 Faktoren
- semipermeable Membran (hoch für Kalium, gering für andere Ionen)
- unterschiedliche Ionenkonzentrationen (für K+, Cl- und geladene organische Substanzen)
- elektrogene Na+/K+ Pumpe
Welche Eigenschaften leiten sich aus der Kristallstruktur des bakteriellen Kaliumkanals ab?
Kanalpore bildet Selektivitätsfilter, der genau auf Größe des hydratisierten Kaliumions abgestimmt ist
Kanal beinhaltet 3 Kalium-Ionen → schieben sich durch elektrostatische Abstoßung gegenseitig durch die Pore
wässrige Pore → Ionen passieren besser durch wässriges Milieu
Erläutern Sie die Funktion und Eigenschaften der Na+ /K+ ‐Pumpe
zur Aufrechterhaltung des Ruhepotentials
Leitfähigkeit der Zellmembran für Na+ ist gering vorhanden
ohne aktive Prozesse zum Ausschleusen von Na+ würde es zum Potentialausgleich kommen
aktiver Transport → Transportiert Ionen gegen ihre jeweiligen Konzentrationsgradienten über die Membran
3 Na+ nach außen: über Phosphorylierung eines Aspartats durch ATP → Konformationsänderung → Na+ extrazellulär entlassen
2 K+ nach innen: Dephosphorylierung → Konfromationsänderung → K+ Aufnahme in intrazellulären Raum
ATP-Hydrolyse und Na/ K-Transport sind streng gekoppelt → elektrogenes Prinzip
Was berechnet die Nernst’sche Gleichung
Nernstsche Gleichung berechnet das Gleichgewichtspotential nur für einen Ionentyp – sehr verschieden durch die unterschiedlichen Konzentrationen und Wertigkeiten
Unterschiede Nernst’scher und Goldman’scher Gleichung
Nernst beschreibt das GG-Potential nur für einen Ionentyp einer Membran
Goldmann ist Erweiterung der Nernstschen → gibt das Ruhemembranpotential für eine Zelle an
Unterschiede Nernst’scher und Goldman’scher Gleichung
Nernst beschreibt das GG-Potential nur für einen Ionentyp einer Membran
Goldmann ist Erweiterung der Nernstschen → gibt das Ruhemembranpotential für eine Zelle an
Die Nernstsche Gleichung gibt nicht das Ruhepotential einer Nervenzelle an! (1) Was wird mit dieser Gleichung dann berechnet? (2) Geben Sie ein Beispiel. Wie kann diese Gleichung trotzdem benutzt werden, um (3) das Ruhepotential und (4) das Aktionspotential zu beschreiben?
(1) Gleichgewichtspotential für nur einen Ionentyp
abgeleitet durch Gleichsetzen der Formel für elektrische und osmotische Kraft
(2) U(K) = RT / zF * lg([K]außen / [K]innen) = 58 mV * (2 mmol /124 mmol) = -104 mV
(3) würden GG-Potentiale aller permeablen Ionen in gleicher Weise zum Ruhepotential beitragen, läge das Ruhepotential bei -129 mV
hohe Permeabilität für K (-104 mV) bestimmt aber Ruhepotential (-73 mV) → K+ Ausstrom
(4) während des AP ändern sich Permeabilitäten zugunsten von Na (67 mV) → Na+ Einstrom führt zur Depolarisation
Berücksichtigung der Permeabilitäten, Konzentrationen der Ionen → Nernst-Gleichung in Goldmann-Gleichung übertragen
Goldmann-Gleichung/Welche Größen müssen bekannt sein, um das Ruhepotential einer typischen Nervenzelle in guter Näherung zu berechnen?
Innen- und Außenkonzentration von Na+, K+, Cl- und geladener organischer Moleküle
Permeablität der Membran für diese Stoffe
Temp., Gaskonst., Faraday-Kosnt.
Was (und wie) beschreibt die Goldman-Gleichung?
Berechnung des Ruhepotentials bei verschiedenen Ionenkonzentrationen und -leitfähigkeiten
Welche Potenziale werden durch die Nernstsche Gleichung beschrieben? Geben Sie ein Beispiel und erläutern Sie das Aktionspotenzial mit Hilfe dieser Potenziale.
die Nernst-Gleichung gibt Gleichgewichtspotential für eine Ionensorte an
Beispiel (an einem einfach geladenen Kation mit intrazellulären 100mmol und extrazellulär 10mmol: ————->
Aktionspotential beruht auf der unterschiedlichen intra- und extrazellulären Verteilung der Ionenkonzentrationen für Kalium, Natrium, Chlorid und geladenen org. Substanzen (AS, Proteinen)
während AP ändern sich Permeabilitäten zugunsten von Natrium (Gleichgewichtspotential am Neuron +67mV9 -> Natriumeinstrom führt zur Depolarisation (+30mv)
Veränderung der Permeabilität für diese Ionensorten bewirkt AP
Welche Ionen sind am Aktionspotenzial beteiligt?
Na+, K+
Beschreiben Sie diese Ionenströme während der verschiedenen Phasen eines Aktionspotenzials (beschriftete Zeichnung). Beschreiben Sie die verschiedenen Phasen und Ionenströme eines typischen Aktionspotenzials einer Nervenzelle (beschriftete Zeichnung).
Dauer des Aktionspotentials: 1ms
Synaptischer Input: langsame Veränderung des Membranpotentials Richtung pos. Werten
Überschreitung des Schwellenwertes: bei -40mV genügend spannungsabhängige Natriumkanäle geöffnet -> relative Ionenpermeabilität der Membran für Na+ größer als für K+
Aufstrich: Innenseite der Membran hat ein negatives elektrisches Potenzial -> starke elektrochemische Triebkraft für Na+-Ionen -> Na+-Ionen strömen durch die geöffneten Natriumkanäle schnell in die Zelle -> Depolarisation
Overshoot: Na+-Ionen werden bei relativen Permeabilität der Membran stark bevorzugt -> Membranpotenzial erreicht einen Wert, der nahe bei ENa liegt (größer als 0mV) -> Umpolarisation
Fallende Phase: spannungsabhängige Natriumkanäle werden inaktiviert & Öffnung der spannungsabhängigen Kaliumkanäle -> starke elektrochemische Triebkraft auf K+-Ionen -> strömen rasch durch die geöffneten Kaliumkanäle aus der Zelle -> Membranpot. wird wieder negativ -> Repolarisation
Undershoot: geöffnete spannungsabhängige Kaliumkanäle erhöhen die Membrandurchlässigkeit des Ruhezustands -> Membranpotenzial nähert sich EK -> Nachhyperpolarisation -> schließt spannungsabhängigen Kaliumkanäle
vorheriges Ruhepotential (ca. -70mV) stellt sich wieder ein
Erläutern Sie den Verlauf eines Aktionspotenzials mit Hilfe der Gleichgewichtspotenziale für Na+ und K+
im Ruhezustand ist nur die Leitfähigkeit für Kalium hoch → Ruhepotential liegt nahe dem negativen
Gleichgewichtspotential für Kalium (- 70 mV)
Öffnung der spannungsabhängigen Natriumkanäle → Leitfähigkeit für Natrium hoch → Membranpotential bewegt sich in Richtung des positiven Gleichgewichtspotentials für Natrium (+ 20 mV)
Inaktivierung der Natriumkanäle & Öffnung der Kaliumkanäle → Leitfähigkeit für Kalium sehr hoch → Membranpotential bewegt sich in Richtung des Gleichgewichtspotentials für Kalium → Nachhyperpolarisation, bevor alle spannungsabhängigen Kaliumkanäle geschlossen (- 80 mV)
Welche der folgenden Aussagen treffen für das typische Aktionspotenzial einer Nervenzelle zu?
Die Spitze des Aktionspotenzials liegt nahe an dem Gleichgewichtpotenzial für K+
Je größer die Längskonstante einer Nervenzelle, desto größer die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Aktionspotenzials
Die Geschwindigkeit der Repolarisation hängt von der Na+ /K+ ‐Pumpe ab
TTX (Tetrodoxin) blockiert den spannungsabhängigen Na+ ‐Kanal
Die Nernst’sche Gleichung beschreibt das Ruhepotenzial vor dem Aktionspotenzial
Wie unterscheidet sich die Kinetik des spannungsabh. Na+ ‐Kanals von der eines spannungsabh. K+ ‐Kanals?
Natriumkanal 2 geschlossene Zustände: geschlossen vor dem Aktionspotential (während Ruhepotenzials) & geschlossen und inaktiviert nach dem Aktionspotential Neuron depolarisiert -> Na+ Kanal öffnet Öffnet bei Depolarisationsschwelle + 20 mV Kinetik blockierbar durch TTX Kaliumkanal keine spontane Inaktivierung Öffnet bei vollständiger Depolarisation TEA blockiert den K+-Kanal
Wie ergibt sich die stark aufsteigende Flanke des Aktionspotentials?
Öffnen des spannungsabhängigen Natriumkanals bewirkt schnellen Einstrom von Natrium, getrieben durch Elektrostatik und Konzentrationsgradienten
positive Rückkopplung – je mehr Natriumionen einströmen, desto größer ist die Depolarisation des Membranpotentials und desto mehr Natriumkanäle öffnen
Welche Mechanismen terminieren das Aktionspotential?
Inaktivierung der Natriumkanäle, spannungsabhängiges Öffnen der Kaliumkanäle – zeitverzögertes Gleichrichten
Was versteht man unter der Refraktärzeit eines Aktionspotenzials, wodurch wird sie bestimmt und welche Konsequenzen hat sie?
Phase der Inaktivierbarkeit nach AP; bestimmt max. Erregungsfrequenz (1000 Hz) sowie Fortleitungsrichtung von APs
relative RZ: bedingt durch Nachhyperpolarisation, in dieser Zeit Erregung nur duch starkes Signal möglich (größere
Distanz zum Schwellenwert), ca. 0,35 ms
absolute RZ: bedingt durch Kinetik des Na+-Kanals, muss von inaktiv in den geschlossenen Zustand übergehen, bevor
erneute Öffnung möglich ist, ca. 0,5 ms
Was sind Kanalopathien?
Krankheiten, die auf Kanal-Dysfunktionen zurückgehen, oft sekretions- oder neuromuskuläre Erregungsstörungen
zB. Mukoviszidose, erblich bedingte Epilepsien (50% aller Pharmazeutika wirken auf Membranen!)
Was versteht man unter Zeit‐ und Längskonstante? Von welchen Größen hängt die Längskonstante ab?
Zeitkonstante: zeitliche Änderung des Membranpotentials bei Stromfluss über die Membran (Zeit bis zum Erreichen von 63% des Endwertes der Spannung); je größer τ, desto mehr wird Zeitverlauf verzerrt, bestimmt von Widerstand und Kapazität
τ=R*C
Längskonstante: Abnahme der Potentialstärke in Abh. von der Ausbreitungsentfernung (Distanz, beid der noch 37% der Spannung ankommt); bestimmt Fortleitungsgeschwindigkeit, bestimmt von Längswiderstand Ri (Ionenzahl) und Querwiderstand Rm (Ionenkanäle)
λ~√Rm Ri
Wie entsteht die Selektivität von Ionenkanälen für An oder Kationen?
Den Durchmesser des Ionenkanals (mechanische Barriere)
Ladungen im Inneren der Kanäle (elektrische Barriere)
Was versteht man unter zeitlicher und räumlicher Summation in einer Nervenzelle? Von welchen Größen hängen diese beiden Formen der Summation jeweils ab und in welchem Bereich einer Nervenzelle sind sie von besonderer Bedeutung?
räumliche Summation: PSPs von mehreren Synapsen erreichen Axonhügel, Auslösen AP abh. von Summe der Spannung, Längskonstante und Lokalisierung Synapsen am Dendritenbaum, mehrere präsyn. Signale können sich auf ihrem Weg durch Dendritenbaum bis Axon zu stärkeren postsyn. Signalen aufsummieren, kann für Signalweiterleitung nötig sein, da Aktionspotential nur beim Überschreiten des Schwellenwertes ausgelöst werden kann
zeitliche Summation: PSPs einer Synapse erreichen innerhalb kurzer Zeit Axonhügel; je größer Zeitkonstante, desto länger zieht sich AP-Verlauf; limitierend für Übertragungsfrequenz diskreter Signale, da sich sonst ab einer bestimmten Frequenz mehrere Einzelsignale postsynaptisch aufsummieren
Die Zeitkonstante einer Nervenzelle wirkt sich auf die zeitliche Summation im Dendriten dieser Nervenzelle aus. Erläutern Sie diesen Zusammenhang an 2 Neuronen mit gleichem präsynaptischem Eingang aber unterschiedlich großen Zeitkonstanten.
bei gleichem Eingangssignal unterschiedliche Zeitverläufe des PSPs möglich, je nach Zeitkonstante des postsyn. Neurons (entsprechend Widerstand=Permeabilität und Kapazität=Membrandicke und -fläche)
Zeitkonstante lang - PSPs summieren sich und werden größer (=zeitliche Summation)
Zeitkonstante der postsynaptischen Nervenzelle kurz - PSP klingt schnell wieder ab
bei zeitlicher Summation durch lange Zeitkonstante wird Schwelle für Ausbildung von APs leichter überschritten
Welche Möglichkeiten gibt es, um in Neuronen die Fortleitungsgeschwindigkeit von Aktionspotentialen zu erhöhen?
(Erhöhen der Zeitkonstante (Veränderung Widerstand und Kapazität – schwer beeinflussbar) nur begrenzt praktikabel weil auf Kosten der max. Signalfrequenz)
Fortleitungsgeschwindigkeit durch Längskonstante bestimmt
absenken Ri Längswiderstand: durch größere Axondurchmesser, Reduktion Ionenkanalanzahl
erhöhen Rm Querwiderstand: weniger Ladungsverluste durch die Ionenkanäle über die Membran, Isolation durch Myelinisierung
Begründen Sie warum Kalium-Ionen stärker auf das Ruhepotential wirken als Na-Ionen.
Goldmannsche-Gleichung → Permeabilitätskonstante viel höher bei K+ als bei Na+
Zellmembran ist semipermeabel, denn nur Kaliumionen können über spez. Ionenkanäle über Membran wandern
Kaliumionen wandern nach außen, getrieben von osmotischen Kraft → bis elektrische Kraft & Gleichgewichtszustand erreicht
Gleichgewichtspotential für K+ bestimmt wesentlich das Membranpotential des Neurons
Was besagt Cajals Neuronentheorie?
Neurone sind tatsächlich voneinander getrennte anatomische Einheiten und bilden kein Synzytium → Nervensystem ist aus individuellen Zellen (Neuronen) aufgebaut
Welche anatomischen Befunde stützen die Neuronentheorie?
Golgi-Färbung (Silberchromatlösung) → geringer Anteil der Neuronen vollständig dunkel gefärbt
Golgi-Färbung zeigt, dass Neuronen aus mind. 2 unterscheidbaren Teilen bestehen
Skizzieren Sie die Eigenschaften elektrischer Synapsen
direkte Übertragung eines Ionenstroms von einer Zelle zur nächsten → sehr schnell
elektrische Synapsen = gap junctions
an Kontaktstelle sind Membranen von 2 Zellen nur ca. 3 nm voneinander entfernt
schmale Lücke von zusammen gelagerten speziellen Proteinen durchspannt → Connexine
lässt Ionen direkt vom Cytoplasma der einen Zelle ins Cytoplasma der anderen passieren
Was sind Vorteile chemisch synaptischer Transmission gegenüber elektrischen Synapsen?
Verstärkung ist variabel
kein cytoplasmatischer Kontakt nötig
spezifische Transmission durch spezielle
postsynaptische Rezeptoren
Wirkung hemmend oder erregend
Unterschiede zwischen elektrischen und chemischen Synapsen.
synaptischer Spalt:
bei elektrischen: 2-4 nm & bei chemischen 10-20 nm
cytoplasmatischer Kontakt
bei elektrischen vorhanden & bei chemischen nicht
elektrischer Widerstand
bei elektrischen gering & bei chemischen sehr hoch
Verzögerung
bei elektrischen 0,1 ms & bei chemischen >0,5 ms
Gleichrichtend
ist bei elektrischen möglich & bei chemischen immer der Fall
Erregungsübertragung
bei elektrischen durch Ionenstrom & bei chemischen durch Transmitter
Ultrastruktur
bei elektrischen gap junction & chemische prä: Vesikel; post: Rezeptoren
Verstärkung
bei elektrischen hoch & chemischen variabel
Wirkung
bei elektrischen erregend & bei chemischen erregend oder hemmend
Transportrichtung
bei elektrischen bidirektional & chemischen unidirektional
Rolle von Ca2+ in der Transmitterfreisetzung?
wenn ein Aktionspotential präsynaptische Seite erreicht, werden spannungsabhängige Ca-Kanäle geöffnet
vermittelt Fusion der Vesikel mit Membran durch SNARE-Komplex & Synaptotagmin bewirkt
führt dann zur Transmitterausschüttung (wirkt also als Second Messenger)
Wie können synaptische Ca2+ Signale gemessen werden?
synthetische oder genetisch codierbare Ca-Indikatoren
positionsabh. Absorption/ Fluoreszenz
gCAMP (Ca-Sensoren) – GFP + Calmodulin + M13 → Fluoreszenz wird ausgelöst, wenn Ca2+ gebunden wird
Ca2+ als second messenger
Was ist die Rolle des Snare Komplexes?
entscheidend für Synapsenfunktion
Verankert die Transmitter gefüllten Vesikel an präsynaptischen Membran → ermöglicht so die Fusion mit Hilfe von Synaptotagmin
Wichtiger inhibitorischer Transmitter und dessen Rezeptor.
GABA (Gamma-Amino-Buttersäure)
GABA-A Transmission: Cl- Kanäle (ionotrop)
GABA-B Transmission: G-Protein (metatrop)
Wichtiger exzitatorischer Transmitter und dessen Rezeptor.
Glutamat
Glutamatrezeptoren: Na+/ K+ Kanäle (ionotrop) → Kationen-Einstrom
metabotrope Glu-Rezeptoren → Enzymkatalyse
3 Arten ionotroper Rezeptoren: NMDA, AMPA & Kainat
Was besagt die Hypothese zur quantalen Transmitterfreisetzung und wie erklärt sich dieser Freisetzungsmechanismus?
Transmitter werden in Quanten freigesetzt → nicht kontinuierlich in synaptischen Spalt entlassen
Miniatur-EPSPs an neuromuskulären Endplatte sind ganzzahlige Vielfache eines Elementarereignisses
diese Quantelung der Transmitterfreisetzung über Vesikelfusion erklärbar
Nennen Sie Unterschiede zwischen den Mechanismen der synaptischen Übertragung im ZNS und der neuromuskulären Übertragung.
ZNS:
Glutamat (AMPA) exitatorisch; GABA inhibitorisch
nur einzelne Vesikel, kleines PSP (1 mV)
neuromuskuläre Endplatte: ACh exitatorisch (bei Vertebraten), zahlreiche Vesikel (ca. 100) → stochastisches Verhalten & großes PSP (70 mV), keine Hemmung möglich
Wie kommen hyperpolarisierende bzw. shunting Inhibition zustande und was sind die rechnerischen Unterschiede dieser Inhibitionsformen?
hyperpolarisierende Inhibitionen entstehen durch höhere Chlorid-Menge in der Zelle
Shunting Inhibitionen sorgen für Kurzschluss der Zelle
Was sind die Vorteile chemischer synaptischer Transmission gegenüber elektrischen Synapsen?
Verstärkung ist variabel
kein cytoplasmatischer Kontakt nötig
spezifische Transmission durch spezielle postsynaptische Rezeptoren
Wirkung ist hemmend oder erregend
Skizzieren Sie die Eigenschaften elektrischer Synapsen.
direkte Übertragung eines Ionenstroms von einer Zelle zur nächsten → sehr schnell
elektrische Synapsen = gap junctions
an Kontaktstellen Sind Membranen von 2 Zellen nur 3 nm voneinander entfernt
schmale Lücke von zusammengelagerten speziellen Proteinen durchspannt → Connexine
Beschreiben Sie die wesentlichen Ereignisse bei der Signalübertragung an einer chemischen Synapse.
Präsynaptische Endigung
Eintreffen von Na+/K+ Aktionspotentialen
Depolarisation der präsynaptischen Membran
Öffnung von spannungsabhängigen Ca2+ Kanälen → Ca2+ Einstrom
Fusion der Vesikel mit präsynaptischen Membran
Synaptischer Spalt (Transmitterfreisetzung)
primäre Neurotransmitter & Neuropeptide
Diffusion des Transmitters durch synaptischen Spalt
Bindung des Transmitters an spezifische Rezeptoren der postsynaptischen Membran
Konformationsänderung im Transmitter-Rezeptor-Komplex
Postsynaptische Membran
Öffnung von ionenkanälen → Ionenströme
Potentialänderung an postsynaptischen Membran (EPSP oder IPSP)
Wie wurde erstmals nachgewiesen, dass Transmitter an der chemischen Synapse in Quanten bzw. Vesikeln freigesetzt wird?
Transmitter werden in Quanten freigesetzt → nicht kontinuierlich in synaptischen Spalt entlassen
Untersuchung durch Katz (1955) an motorischen Endplatte
Muskelfaser aus Froschbein zusammen mit motorischen Nerv herauspräpariert
in Petrischale mit physiologischen Lösung gebadet (ohne Ca2+)
mit intrazellulärer Ableitelektrode wurden Potentiale in Muskelfaser registriert
zunächst keine Depolarisation in Muskelfaser (nur selten)
elektrische Reizung des motorischen Nervs löste AP aus → kurz nach Reizung regelmäßig Depolarisationen
sichtbare Depolarisationen: mini-EPSP = sehr kleine exzitatorische, postsynaptische Potentiale
beobachtete Endplattenpotentiale entsprachen immer ganzzahligen Vielfachen der Amplitude der spontanen mini-EPSP
Ausschüttung der Vesikel ist spannungsabhängig (Ca2+ EInstrom) → Größe des Elementarereignisses ändert sich nicht, nur dessen Rate
Welche Formen des Vesikel-Recycling kennen Sie?
klassische Vesikelwiederaufnahme nach vollständiger Entleerung
Rückgewinnung des Vesikels durch Endozytose, ggf auch Clathrin-vermittelt
Kiss-and-Run-Weg
für kurze Zeit Bildung einer kleinen Öffnung → Vesikel gleich wieder von präsynaptischen Membran abgeschnürt
bulk endocytosis
großflächige Abschnürung von Membranabschnitten
Erläutern Sie kurz die Begriffe EPSP und IPSP.
exzitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP)
führt zu einer Depolarisation des Membranpotentials
wenn Depolarisation überschwellig → neue postsynaptische AP
Exzitation: Depolarisation
inhibitorisches postsynaptisches Potential (IPSP)
führt zu einer Hyperpolarisation des Membranpotentials
Wahrscheinlichkeit für Auslösung eines postsynaptischen AP nimmt ab → Inhibition
Inhibition: Hyperpolarisation
Was ist der Unterschied zw. primären Neurotransmittern und Neuropeptiden?
primäre Neurotransmitter
klein und niedermolekular
wirkt auf synaptisch verbundene Neuronen
können in wenigen Syntheseschritten hergestellt werden
jederzeit Regeneration in synaptischen Endigung
zum Recycling Wiederaufnahme in präsynaptische Endigung möglich (über spez. Transportproteine)
z.B. Derivate von Essigsäure (Acetylcholin) oder AS (Glutamat, Glycin, GABA, Dopamin, Noadrenalin, Adrenalin, Serotonin)
Neuropeptide als Transmitter
größer als prim. Neurotransmitter → kurze AS-Ketten (ca. 5-30 AS)
andere Rezeptoren
nur im Soma synthetisiert → Transport zur Synapse nötig
Deaktivierung durch Peptidase, keine Wiederaufnahme in präsynaptische Endigung
modulieren synaptische Übertragungseffizienz, lösen selber kein postsynaptisches Potential aus (binden nicht an Ionenkanäle)
z.B. Endorphin, Somatostatin
Nennen Sie die 4 Eigenschaften von Neuropeptiden
kurze AS-Ketten (5-30) → größer als prim. Neurotransmitter
wirken auch oft als Hormone & Modulatoren der synaptischen Übertragungseffizienz
nur im Soma synthetisiert → Transport zur Synapse nötig
werden in andere Vesikel (dense core, ca 70 nm) verpackt als niedermolekularen, pirm. Neurotransmitter
Durch welche Prozesse werden Neurotransmitter nach der Ausschüttung wieder aus dem synaptischen Spalt entfernt?
Diffusion → in den großen extrazellulären Raum
Aufnahme in präsynaptische Zelle über hochspezifische Transportproteine (z.B. Catecholamine)
Aufnahme durch Galiazellen (z.B. Serotonin, GABA)
Spaltung (Inaktivierung) im synaptischen Spalt (z.B. ACh-Esterase, Peptidase)
Welche Kriterien weisen nach, dass Moleküle in der präsynaptischen Endigung als Transmitter wirken?
Synthese in präsynaptischen Zelle (genügend hohe Konzentration) → Enzymnachweis
Gleicher Effekt auf postsynaptischen Zelle, wenn von außen in synaptischen Spalt appliziert
Blockade durch spezifische Hemmstoffe (Toxine)
Nachweis eines spezifischen Rezeptors
Eliminierung des Transmitters aus synaptischen Spalt
Erläutern Sie kurz die Funktion von ionotropen & metabotropen Rezeptoren in der postsynaptischen Membran.
Ionotrope Rezeptoren
ligandenabhängige Ionenkanäle
kombinieren Rezeptor und Ionenkanal in einem Proteinkomplex
Transmitter bindet Kanal → Konformationsänderung → Kanal öffnet sich → Ioneneinstrom
Metabotrope Rezeptoren
G-Protein gekoppelte Rezeptoren (keine Ionenkanäle)
ändern aber Konformation ligandenabhängig
Rezeptoren aktivieren heterotrimere G-Proteine → beeinflussen Ionenkanäle direkt oder indirekt durch Aktivierung cytoplasmatischer Signalkaskaden
Transmitterbindung am Rezeptor → Transmitter-rezeptor-Komplex aktiviert G-Protein (GTP-Verbrauch) → G-Protein aktiviert Adenylatcyclase, welche cAMP erstellt (second messenger) → cAMP aktiviert Proteinkinase, welche Ionenkanal phosphoryliert → Ionenkanal schließt
Nennen Sie (1) je ein Bsp. für einen ionotropen & metabotropen Rezeptor. (2) Wo in der Nervenzelle sind diese Rezeptortypen vor allem zu finden, (3) welche Prozesse werden durch diese gesteuert & welche Unterschiede bestehen zwischen diesen beiden Rezeptortypen?
Ionotrope Rezeptoren
ligandenabhängiger Ionenkanal
wirkt schnell und direkt auf Ionenstrom
kombinieren Rezeptor und Ionenkanal in einem Proteinkomplex
z.B. nACh-Rezeptor, GABA-Rezeptor, Glutamat-Rezeptor
Metabotrope Rezeptoren
G-Protein gekoppelter Rezeptor
keine Ionenkanäle
indirektes Gating des Ionenkanals → wirkt langsamer und eher modellierend
ändern Konformation ligandenabhängig
Rezeptoren aktivieren heterotrimer G-Proteine → diese beeinflussen Ionenkanäle indirekt oder direkt über Aktivierung der cytoplasmatischen Signalkaskade
z.B. mACh-Rezeptor, Serotonin-Rezeptor, Neuropeptid-Rezeptor
beide sind Strukturen der postsynaptische Membran
Prozesse: Bildung des postsynaptischen Potentials, Verstärkung eines elektrischen Signals
Welcher Unterschied besteht zwischen ionotropen und metabotropen Rezeptoren? Können beide Rezeptortypen in einer Nervenzelle zusammen vorkommen?
Ionotrope Rezeptoren
ligandenabhängige Ionenkanäle
wirkt schnell und direkt auf Ionenstrom
kombinieren Rezeptor und Ionenkanal in einem Proteinkomplex
Metabotrope Rezeptoren
G-Protein-gekoppelte Rezeptoren
keine Ionenkanäle
indirektes Gating des Ionenkanals → wirkt langsamer und eher modellierend
ändert aber ihre Konformation ligandenabhängig
JA, können an der selben Nervenzelle vorkommen, sogar an der selben Synapse
gleichzeitig aktiviert → entstehen mehrere Depolarisationen, die sich in postsynaptsichen Membran durch zeitliche und räumliche Summation überlagern
Wodurch wird bestimmt, ob eine chemische Synapse exzitatorisch oder inhibitorisch wirkt?
vom postsynaptischen Rezeptor bestimmt
der gleiche Transmitter bei unterschiedlichen postsynaptischen Neuronen (bzw. Rezeptoren) sowohl EPSP als auch IPSP auslösen
Welche Grundformen synaptischer Plastizität kennen Sie? Bei welchen Prozessen ist synaptische Plastizität wichtig?
synaptische Depression
Amplitude der postsynaptischen Depolarisation nimmt mit jedem weiteren Präsynaptischen AP ab
synaptische Fazillation
Amplitude der postsynaptischen Depolarisation nimmt zu (wegen Ca2+ Akkumulation in präsynaptischer Endigung)
posttetanische Potenzierung
Amplitude der postsynaptischen Depolarisation nimmt zu, erst nach einiger Zeit
wichtige Prozesse:
Kurzzeitplastizität: präsynaptische Depression & synaptische Fazillation
Langzeitplastizität: posttetanische Potenzierung & Langzeitpotenzierung (LTP)
Verstärkung oder Abschwächung an Hebb´schen Synapse → assoziatives Lernen
Habituation, Dishabituation, Sensitivierung
Wesentliche Mechanismen und Eigenschaften hippocampaler LTP.
zellulärer Mechanismus assoziativen Lernens:
Verstärkung der Übertragung häufig genutzter Synapsen
bei mehrfach wiederholter Reizung bleibt das Signal über lange Zeit erhöht → Reize an zwei Stellen verstärken kollektiv
prä- & postsynaptische Plastizität nötig → erfolgt in Stufen (elektrisch, Transkription, Proteinbiosynthese)
Nennen Sie die wichtigsten Charakteristika der Lang-Zeit-Potenzierung.
Potenzierung = Verstärkung der synaptischen Übertragung durch synaptische Plastizität
assoziativ (zw. Synapsen), prä- & postsynaptisch
stufenweises Phänomen
zelluläres Korrelat des Gedächtnis
elektrisch, Transkription → Proteinbiosynthese)
Beschreiben Sie die Öffnungsmechanismen des NMDA-Kanals und die funktionalen Implikationen dieser Öffnungsmechanismen.
Transmitter: Glutamat
Mg2+ Block; Ca2+ Permeabilität
Aktivierung von AMPA
nach Aktionspotential öffnen sich die Kanäle → Na+ Einstrom → Depolarisation (EPSP)
Magnesium-Block in NMDA (doppelter Schließmechanismus)
durch weiterfolgende Aktionspotentiale (starke Depolarisation) aus NMDA-Kanal entfernt → Ca2+ EInstrom
Kaskade
Ca2+ EInstrom führt zur AMPA-Phosphorylierung & Start der Kaskade in Zelle → Vermehrte Expression von TF → Vermehrung der AMPA-Rezeptor-Anzahl → Verstärkung der postsynaptischen Antwort
Schließmechanismen des NMDA-Kanals
doppelter Schließmechanismus
Kanal ist Liganden- & Spannungs-abhängig
nicht nur für monovalente Kationen durchlässig, auch für Ca2+
Ca2+ als second messenger
verfügt über spannungsabhängigen Mg2+ Block
bei Glutamatausschüttung: Öffnung des Kanals
Mg2+ Block verhindert Kationeneinstrom
bei ausreichender Depolarisation wird blockierendes Mg2+ aus Pore gespült → Rezeptor ist durchlässig
Durchlässigkeit für Ca2+ → verstärkt Depolarisation (second messenger Wirkung)
erhöht über weitere Signalwege (CaM-Kinase II) die Sensitivität der postsynaptischen Membran für Glutamat → verstärkt Transmitterausschüttung durch präsynaptische Endigung
Warum ist der NMDA-Kanal wichtig für zelluläre Lernvorgänge
NMDA-Rezeptoren dienen als Hebb-Detektoren für gleichzeitige präsynaptische und postsynaptische Aktivität
Einstrom von Ca2+ durch NMDA-Rezeptorkanäle löst biochemische Mechanismen aus, welche die Effizienz (Übertragungsstärke) der Synapse modifizieren
starke Aktivierung der NMDA-Rezeptoren → Erhöhung der synaptischen Effizienz → Fazilitierung (residuale Ca2+ Hypothese)
Funktion bei Bildung von Gedächtnisinhalten über sog. Long Term Potentiale (LTP) zugeschrieben
Ist die Plastizität kortikaler Karten ein Gedächtniskorrelat? Wenn ja, für welche Gedächtnisformen?
ja, benötigt starke und langanhaltende Veränderungen (LTP)
korrelieren mit prozeduralen Lernen
Wie lautet das Hebb´sche Postulat?
What fires together, wires together
verstärkung der Übertragung an häufig genutzten Synapsen (durch Koaktivität) ist zellulärer Mechanismus des assoziativen Lernens
Welche Defizite hatte der Patient HM und wie kamen diese zustande?
schwere anterograde Amnesie → Verlust der episodischen Gedächtnisbildung
intaktes prozeduales & Kurzzeitgedächtnis
durch operatives entfernen seines Hippocampus, um schwere epileptische Anfälle zu heilen
Was ist eine schwere anterograde Amnesie & welche Hirnschäden bewirken eine solche?
anterograde Amnesie = Merkfähigkeit für neue Bewusstseinsinhalte massiv reduziert; neue Dinge nur für 1-2 min im Gedächtnis erhalten, bis wieder vergessen
Verlust der episodischen Gedächtnisbildung (keine neue Langzeiterinnerung)
Hippocampus ist notwendig für episodisches Gedächtnis & unterstützt Konsolidierung des Gedächtnisses
Was sind die Folgen einer beidseitigen Störung des menschlichen Hippocampus?
anterograde Amnesie
reduzierte Merkfähigkeit für neue Bewusstseinsinhalte
Verlust der episodischen Gedächtnisbildung
Was sind Place cells und wo hat man solche Zellen beschrieben?
im Hippocampus
Ortszellen = Zellen die nur feuern, wenn sich ein Tier an einem bestimmten Ort (glaubt zu) befinden
allozentrisch = Karte des äußeren Raumes, unabhg. von eigenem Standort → kodiert wird kein Sinnesreiz, sondern nur der Ort
Was sind grid-cells bzw. Gitter-Zellen?
befinden sich medial im entorhinalen Cortex vieler Säuger
dienen der Raumvermessung zur besseren Orientierung
feuern dazu in einem hexagonal organisiertem Muster über den Raum
Nennen Sie die Gedächtnisformen des Menschen.
deklarativ (Fakten & Ereignisse) inklusive episodisch (Ereignisse, gebunden an Ort & Zeit)
nicht-deklarativ (unterbewusst), inklusive prozedural (Bewegungsabläufe, motorische/ instrumentelle Intelligenz, iteratives Lernen)
kinästhetisch (Körpergedächtnis) vs. emotional
kurzzeit (min-h, begrenzter Speicher) vs. langzeit
Was sind die Hirnorganisationen des Menschen und wichtige Areale?
Zentrales Nervensystem (ZNS) Rückenmark, Medulla oblongata = verlängertes Markhirn (inkl. inferiore Olive = Eingang zum Cerebellum) Pons = Brücke Cerebellum = Kleinhirn Mesencephalon = Mittelhirn Diencephalon = Zwischenhirn (inkl. Thalamus, Hypothalamus) Cortex cerebri = Großhirnrinde (inkl. Allocortex mit Hippocampus, Amygdala & entorhinaler Cortex)
Nennen Sie die grundlegenden Eigenschaften von Sinneszellen.
FIlter → registrieren nur einen Ausschnitt des verfügbaren Energiespektrums
Verstärker → Reizenergie dient nur als Trigger, Sinneszellen sind sehr empfindlich für spezifische Reizenergie
Transducer → Reizenergie/ -stärke durch Transduktionsprozesse in elektrisches Potential umkodiert
Encoder → Impulsfrequenz proportional zur Reizintensität (meist logarithmischer Zusammenhang)
Welche Typen der Steuerung von Ionenkanalproteinen kennen Sie? Nennen Sie jeweils ein Beispiel.
ligandengesteuert (nikotinischer ACh-Rezeptor)
spannungabhängig (Na+ Kanal)
mechanosensitiv (K+ Kanal der Stereovilli, Ohr)
lichtgesteuert (Kanalrhodopsin)
temperaturgesteuert (sensorische Schmerzfasern)
Phosphorylierung
Erläutern Sie die Begriffe afferente und efferente Neurone und geben Sie jeweils ein Beispiel.
afferente Neuronen leiten Signal zum Körper ins ZNS (z.B. sensorische Neuronen)
efferente Neuronen leiten Signal vom ZNS zum Zielorgan (z.B. Motorneurone)
Beschreiben Sie an einem Beispiel die wesentlichen Schritte bei dem Transduktionsprozess in Sinneszellen.
allgemein: Reiz-Rezeptorpotential-Aktionspotential → Bsp. Wirbeltier-Photorezeptor
Photon → Konformationsänderung von Retinal (11-cis zur all-trans Konfromation)
Metarhodopsin II aktiviert Transducin (G-Protein) → GTP zu GDP → aktiviert Phosphodiesterase (Effektor-Enzym)
Phosphodiesterase spaltet cGMP zu 5-GMP → Kanäle jetzt inaktiviert (schließen sich, Hyperpolarisation)
cGMP hält Na+ Kanäle offen (Dunkelstrom)
Signal an Bipolarzellen (Interneurone, leiten Signal an Ganglienzellen weiter, deren Axone projizieren ins Gehirn)
Benennen Sie die Unterschiede im Transduktionsprozess zwischen einer Haarsinneszelle und einem Photorezeptor.
Photorezeptoren:
in Retina melden Lichtintensität im Wellenlängenbereich, für den sie empfindlich sind (Photorezeption)
Verstärkung während Transduktion möglich, über relativ langsame Sehkaskade nach Absorption von Rhodopsin
Besonderheit: Dunkelstrom, Reiz bewirkt Hyperpolarisation
Haarsinneszellen:
in Cochlea signalisiert Schalldruck für Frequenzbereich, der von ihrer Position auf Basialmembran abhängt (Mechanorezeption)
Prozess indirekt und schnell ohne Enzymkaskade
im Vorfeld mechanische Verstärkung des Reizes nötig
Rezeptorpotential durch Calcium
Erklären Sie den Begriff der Kennlinie (beschriftete grafische Darstellung) im Kontext der Informationsverarbeitung durch Sinneszellen und stellen den Zusammenhang mit der Adaption her.
Encodereigenschaften von Rezeptoren resultieren in Kennlinie → beschreibt Zusammenhang zwischen Reizintensität und Rezeptorantwort
umfasst Dynamikbereich zw. Reizschwelle und Sättigung
biologische Kennlinien verlaufen meist sigmoidal
dynamischer Bereich: im mittleren Energiebereich ist Änderung des Rezeptorpotentials proportional zur Änderung der Intensität
Steilheit: hohes Auflösungsvermögen, Wahrnehmung von Unterschieden in Reizstärke
Sinneszellen können Kennlinien auch in je vorherrschenden Intensitätsbereich verschieben (= Adaption)
Was versteht man unter dem Weber’schen Gesetz?
Zusammenhang zwischen Reizintensität und Wahrnehmung
der gerade noch wahrnehmbare Unterschied zw. 2 Reizstärken hängt von der Reizintensität ab und ist konstant → DI/I=K
wahrgenommene Stärke von SInneseindrücken ist proportional zum Logarithmus der Intensität des physikalischen Reizes
Beschreiben Sie die wichtigsten Zelltypen der Wirbeltierretina und ihre Verschaltungen
5 Neurone in 3 Schichten
- Photorezeptoren (Stäbchen & Zapfen)
durch Lichtreiz hyperpolarisiert, generieren selbst keine AP - Bipolarzellen
werden durch Photorezeptoren hyperpolarisiert - Ganglienzellen
feuern als Reaktion auf das Licht AP → deren Auxone bilden den Sehnerv → leiten Impulse zum übrigen Gehirn - Horizontalzellen
bilden Synapsen mit benachbarten Photorezeptoren → verbesserte Kontrastwahrnehmung - Amakrinzellen
verbinden Bipolar- & Ganglienzellen vertikal, lokal → tragen dazu bei, die Empfindlichkeit der Augen an das Belichtungsniveau anzupassen - Bipolarzellen & Horizontalzellen sind horizontal vernetzt → leteral pathway
Was ist Adaption?
Pupillenreaktion
Hemmung von Guanylcyclase durch eintretendes Ca (über cGMP-Kanäle) -> bei langer Belichtung sinkt [Ca] und mehr cGMP wird gebildet
Anpassung an Umgebungsintensitäten verschiebt sigmoidale Rezeptorkennlinie horozontal
Beschreiben Sie den einzigen lichtabhängigen Schritt der Phototransduktion//Was ist der einzige licht-abhängige Schritt der Sehkaskade?
Photostereoisomerisierung
einfallendes Licht wird von 11-cis-Retinal absorbiert -> 11-cis-Retinal isomerisiert zum all-trans-Retinal
Rhodopsin über mehrere Zwischenzustände aktiviert → aktiviertes Rhodopsin = Metarhodopsin II
Durch was für einen Kanal fließen die Ionen, die zur Lichtantwort des Fotorezeptors beitragen?
Natriumkanal
Aus welchen Komponenten besteht Rhodopsin und welche Komponente muss geändert werden, um das Absorptionsspektrum zu verändern ?
Rhodopsin besteht aus 2 Komponenten:
Membranprotein (Opsin) und lichtempfindliches Retinal (Form des Vit. A)
Unterschiede der Absorptionsspektren entstehen durch verschiedene Opsine (bilden die jeweiligen Rhodopsine)
Beschreiben Sie die Rolle des Transducins in der Sehkaskade
Transducin (GTP-bindendes Protein) lagert sich an den aktiven Teil des Metarhodopsin II
in Folge dessen wird unter GTP-Verbrauch die cGMP Phopsphodiesterase aktiviert
Beschreiben Sie die Rolle der Opsine beim Sehprozess
(Proteinanteil des Sehpigments (Rhodopsin)
11-cis-Retinal ist kovalent an Opsin gebunden → beide zusammen bilden Rhodopsin)
zwei verschiedene Gruppen von Opsinen:
A. Skotopsine (Stäbchen-Opsine) in Stäbchen für das Sehen in Dämmerung & Dunkelheit
B. Photospine (Zapfen-Opsine) → in den Zapfen, ermöglichen Farbsehen
Was sind die wichtigsten Vorgänge bei der Signaltransduktion im menschlichen Auge? An welchen Stellen treten Verstärkungseffekte auf?
- Photostereoisomerisierung:
einfallendes Licht vom 11-cis-Retinal ,im Inneren des Opsin gebunden, absorbiert
11-cis-Retinal isomerisiert zum all-trans-Retinal
Rhodopsin wird über mehrere Zwischenzustände aktiviert => Metarhodopsin II
- Transduktionskaskade in ciliären Photorezeptoren:
Metarhodopsin II löst Enzymkaskade aus → führt zur Schließung des Na-Kanals & dadurch zur Änderung des Membranpotentials → Hyperpolarisation
Metarhodopsin II bindet an alpha-UE des Transducins
Transducin (G-Protein) bindet GTP & aktiviert Effektorenzym
Transducin spaltet beide gamma-UE der cGMP (second messenger) Phosphodiesterase (PDE) ab
aktive PDE spaltet nun cGMP in 5´cGMP → sinkender cGMP-Spiegel → hemmt Kationen-Einstrom in die Zelle
sinkende [Ca2+] aktiviert Guanylylzyklase-aktivierende-Enzyme → cGMP wieder aufgebaut → GG zw. Auf- & Abbau
intrinsische GTPase spaltet GTP in GDP + Pi → gamma-UE der PDE wieder freigegeben
ursprünglicher Transducin-Komplex bildet sich wieder
gamma-UE bindet wieder Phosphodiesterase & inaktiviert diese → kein cGMP-Abbau mehr → Ionenkanäle für Ca2+ & Na+ bleiben offen → Repolarisation der Membran
- Verstärkungseffekte: 1 Photon kann zur Hydrolyse von 1 Mio. cGMP/s führen
Was ist der Dunkelstrom im Photorezeptor? Bzw. Wie ist die ionische Zusammensetzung und wo ist der zelluläre Eintrittsort des ‘Dunkelstroms’ im Photorezeptor?
im Dunkeln ist Photorezeptor auf -20 bis -30 mV depolarisiert → Transmitterfreisetzung ist hoch
im Außenglied Na+ Einstrom; im Innenglied K+ Ausstrom → Dunkelstrom → kompensiert durch Na+/K+-Transport-ATPase im Innenglied
Belichtung führt zum Schließen der cGMP-gesteuerten Kanäle → Rezeptor hyperpolarisiert → geringe Transmitterfreisetzung
Wie wird die Phototransduktion terminiert?
GTP-Hydrolyse durch Transducin → inaktiviert Transducin
Rhodopsin-Phosphorylisierung/ Arrestin
Welche Moleküle interagieren wie mit Photonen bei der Lichttransduktion?
Rhodopsin-Moleküle im äußeren Segment der Photorezeptoren → absorbieren Lichtquanten & setzen Transduktionsprozesse in Gang
Rhodopsin besteht aus 2 Komponenten: Membranprotein Opsin & lichtempfindliches Retinal (11-cis-Retinal; Form des Vitamin A)
Retinal fängt Lichtquant (hv) ein → Konformationsänderung (Photoisomerisierung) von gewinkelten 11-cis-Konformation in gestreckte all-trans-Form → Rhodopsin zu Metarhodopsin II
Beschreiben Sie die Rolle des Retinal in der Phototransduktion.
Retinal ist Chromophor & kovalent an lichtempfindliches Opsin gebunden
Retinal fängt Lichtquant ein → Konformationsänderung (Photoisomerisierung) → Rhodopsin zu Metarhodopsin II
dabei führen nur Lichtquanten, welche vom vergleichsweise kleinem Retinal absorbiert werden, zu einer Änderung des Membranpotentials
Wie und warum reagieren ‘ON’- und ‘OFF’-Bipolarzellen in der Retina auf Licht?
Bipolarzellen leiten Reize ohne Hilfe von AP, nur durch elektronische Erregungsleitung weiter
On- und Off-Zellen verhalten sich bei Lichtreizen auf ihre vorgeschalteten Rezeptorzellen genau gegensinnig
On-Bipolarzellen:
wenig Glutamat von Photorezeptoren bewirkt Depolarisation → wird durch Glutamat gehemmt
werden also erregt wenn Licht angeht
Off-Bipolarzellen:
depolarisieren, wenn Licht ausgeschaltet ist, also wenn Photorezeptoren mehr Glutamat freisetzen
durch diese Depolarisation werden sie erregt und steigern Ausschüttung des Neurotransmitters an Kontaktstellen zu nachgeschalteten Zellen
Licht hingegen hemmt sie
Durch welche Prozesse wird Rhodopsin nach dem Zerfall bei Wirbeltieren und Insekten wieder hergestellt?
Wirbeltiere:
Rhodopsin + hv → Batho → Lumi → Meta I → Meta II → Meta III → all-trans-Retinal + Opsin
anschließend Regeneration zu Rhodopsin im Dunkeln für 20 min nötig
Insekten:
Rhodospin ↔ Metarhodopsin (rezeptorpotential)
Reisomerisierung durch Absorption von Licht einer anderen Wellenlänge
Bau eines Photorezeptors bei Wirbeltieren (Stäbchen) inkl. wesentlicher Elemente für die Phototransduktion. Wie ändert sich das Membranpotential bei Beleuchtung? Welche Schritte führen zu dieser Änderung? Wo treten Verstärkungseffekte auf?
- Rhodopsinmoleküle im äußeren Segment der Photorezeptoren → absorbieren Lichtquanten & setzten Transduktionsprozesse in Gang
- Membranpotential eines Photorezeptors im Wirbeltierauge bei Belichtung → Hyperpolarisation
- Dunkelstrom (Na+ Einstrom) in Photorezeptoren der Wirbeltiere wird bei Beleuchtung unterdrückt
- Rhodopsin absorbiert ein Lichtquant → G-Protein wird aktiviert (= Transducin)
- Transducin aktiviert eine Phosphodiesterase, welche zyklisches GMP (cGMP) hydrolysiert
- cGMP bindet im Dunkeln als interner Ligand an Na+ Kanäle → hält diese offen → ständiger Na+ Einstrom
- Hydrolyse des cGMP → löst sich von Na+ Kanälen → Schließen der Kanäle → Hyperpolarisation des Membranpotentials
Was sind die Unterschiede zwischen Stäbchen und Zapfen?
kleine Zapfen (Cones)
geringe Empfindlichkeit, Taglichtsehen, weniger Photopigment
gute räumliche und zeitliche Auflösung, schnelle Reaktion, kurze Integrationszeit
im zentralen Sehbereich der Fovea (= Stelle des schärfsten Sehens)
chromatisch (3 Zäpfchentypen mit Absorptionsspektren im blauen, grünen, roten Bereich → Farbsehen)
große Stäbchen (Rods)
hohe Lichtempfindlichkeit, angepasst an Dunkelheit
größer → mehr Photopigment verstärkt Lichteinfang
schlechtere räumliche und zeitliche Auflösung, langsame Antwort, lange Intergrationszeit
im nasalen und temporalen Bereich des Sehfelds
achromatisch (1 Absorptionsspektrum bei 496 nm)
Was passiert in der Retina des Menschen bei Dunkeladaptation? Warum ist das Farbsehen bei Dunkelheit eingeschränkt?
Dunkeladaption:
Zapfen werden inaktiv (brauchen höhere Lichtintensität)
Stäbchen kommen zum Einsatz → Sehschärfe und Farbwahrnehmung werden schwächer (Stäbchensystem ist farbenblind)
Pupillenreaktion damit möglichts viele Photonen die Netzhaut erreichen können
Adaption auch durch höhere [Ca] und weniger cGMP-Synthese (Verschiebung der Kennlinie, Rezeptorantwort auch bei geringeren Reizintensitäten möglich)
Erläutern Sie am Beispiel des Sehsystems mit einer Skizze das Prinzip und die Wirkung der ‚lateralen Inhibition´
neuronale Bildauswertung bereits in Retina
Wahrnehmungssysteme erzeugen Kontrastüberhöhung → Linien und Kanten sind wichtig für Wahrnehmungssystem, um Umwelt in Strukturen zu zerlegen
bei hoher Lichtintensität mehr Quanten als bei niedriger → Photorezeptoren erregen Bipolarzellen, Erregungsstärke von Lichtintensität und Horizontalzellen abhängig
Horizontalzellen inhibieren benachbarten Verarbeitungskanal
Stärke der Inhibition hängt von Stärke der Erregung ab (immer gleich Prozentsatz der Erregung) → extreme Wahrnehmung von Konturen
Nervenzellen im visuellen System besitzen rezeptive Felder. Skizzieren und erläutern Sie kurz die Struktur eines einfachen rezeptiven Feldes. Wie entsteht ein einfaches rezeptives Feld (beschriftete Skizze)? Welche Zellen in der Retina besitzen typischerweise rezeptive Felder? Was ist die Funktion eines rezeptiven Feldes?
Struktur: konzentrisches Zentrum und Umfeld (je entweder erregend oder hemmend)
Typen: ON-OFF / OFF-ON
Funktion: Bildzerlegung und Verarbeitung
Einfluss auf Sehschärfe, Empfindlichkeit, Spezifität, Informationsreduktion
Rezeptoren nehmen Abbild der Umwelt auf → rezeptive Felder verschiedener Typen zerlegen dieses Bild
auf Ebene des visuellen Kortex wird Umwelt vor allem in Folge von rezeptiven Feldern repräsentiert (erkennen Formen)
entstehen durch Verschaltungen in Retina
verschiedene Photorezeptoren werden durch laterale Verschaltung der Horizontal- und amakrinen Zellen an repetitiven Feldern beteiligt
Ganglionzellen: einfache, konzentrische rezeptive Felder
große rezeptive Felder vor allem in lateralen Bereichen des Sehfeldes, in Fovea kleiner
Rezeptoren: keine rezeptiven Felder, können aber an verschiednenen rezeptiven Feldern von Interneuronen beteiligt sein
Beschreiben Sie die Antworten des rezeptiven Feldes einer visuellen Nervenzelle mit einem erregenden Zentrum auf (1) gleichmäßige Beleuchtung (2) zentrale Beleuchtung und (3) periphere Beleuchtung.
on-center-Ganglienzelle:
(1) gleichmäßiges Signal
(2) verstärktes Signal
(3) gehemmtes Signal
Sind Komplex- und Linsenaugen homologe oder analoge Strukturen? Warum?
homolog
Facettenauge der Arthropoden ist evolutionäre Abwandlung des Linsenauges
beiden gemeinsam ist Mastergen Pax6 für Augeninduktion
Was sind Gemeinsamkeiten und Unterschiede von neuronalen und optischen Superpositionsaugen?
A. neuronales Superpositionsauge:
in schnellfliegenden Insekten
2 mittlere Rhabdomere bilden zentrales Rhabdomer, darum je 6 periphere Rhabdomere
durchgängige Pigmentzellen
Licht erreicht nur Ommatidium der Linse, durch die es einfällt, restliches Licht von Pigmentzellen verschluckt
hohe Auflösung
B. optisches Superpositionsauge
in nachtaktiven Insekten
8 Rhabdomere eines Ommatidiums zu einzigem Rhabdom fusioniert
Pigmentzellen um Ommatidien verkürzbar, ziehen sich bei Dunkelheit zurück
einfallendes Licht fällt auch auf Rhabdom benachbarter Ommatidien
erhöhte Lichtstärke aber Verminderung der Auflösung
Aufgaben des Hörsinns?
Feinderkennung, Beutedetektion, akustische Kommunikation, Orientierung/Navigation
Welcher Zusammenhang besteht zwischen Schallausbreitungsgeschwindigkeit (c), Wellenlänge (λ) und Schallfrequenz (f)? In welchem Medium breitet sich Schall schneller aus, in Luft oder in Wasser?
c = λ * f
in Luft langsamer (c = 343 m/s) als in Wasser (1500 m/s)
hängt von Dichte ab → je dichter das Medium desto höher die Ausbreitungsgeschwindigkeit
Was versteht man unter Frequenz‐Orts‐Transformation in der Cochlea? Warum ist diese vor allem für Schallfrequenzen über 1000 Hz wichtig?
Schalldruckempfänger können Frequenzbereich nicht in Aktionspotential-Rate kodieren (max. AP-Rate: 1kHz, menschliches Hörvermögen bis 20 kHz) → daher Frequenz-Orts-Transformation in Cochlea
ausgehend vom ovalen Fenster Druckwelle in Lymphflüssigkeit der Cochlea → versetzt über Scala vestibuli Tektorialmembran der Scala media in Schwingung → Scala tympani stellt Druckausgleich übers runde Fenster her
unter Tektorialmembran liegt Basialmembran mit Haarsinneszellen → schwingt durch Druckwelle auf und ab
mechanische Eigenschaften der Basilarmembran sorgen für örtliche Aufteilung der Schall-Repräsentation nach Frequenz → an Basis steif und schmal, an Helicotrema elastisch und breit
hohe Frequenzen erzeugen in Nähe des ovalen Fenstern große Schwingungsamplitude, niedrige Frequenzen weiter hinten (Wanderwelle)
Frequenzanalyse bei Frequenzgemisch nicht durch Haarsinneszellen, sondern in der Basilarmembran
Was ist die Rolle des Außenohrs beim Hörvorgang?
Funktion: Schallaufnahme
Ohrmuschel (Pinna) bildet eine Art Trichter
Windungen in der Ohrmuschel spielen eine Rolle bei der Schallortung
äußerer Gehörgang → überträgt den Schall weiter zum Trommelfell
Nennen Sie Funktionen des Mittelohrs
Funktion: Transmission zum Rezeptororgan
am Trommelfell setzten 3 Gehörknöchelchen an (kleinsten Knochen im Körper)
Schall tritt auf das Trommelfell und versetzt es in Schwingung → Impulse auf Gehörknöchelchen (Hammer, Amboss, Steigbügel) übertragen
Beschreiben Sie, welches Problem beim Mittelohr für die Reizwahrnehmung auftritt. Durch welche Anpassungen wird dieses Problem vermindert?
Mittelohr: Transmission zum Rezeptororgan, muss Schall von Luft auf Flüssigkeit übertragen
Impendanzanpassung (Schallwellenwiderstand): an Grenzflächen unterschiedlicher Dichte wird Schall normalerweise
reflektiert (Luftschall am Tympanum – Flüssigkeitsschall in Cochlea)
normalerweise würde Schall am ovalen Fenster reflektiert werden
durch unterschiedliche Oberflächen (Tympanum viel größer als ovales Fenster) und Hebelwirkung der Gehörknöchelchen
erhöht sich Schalldruck auf Innenohr und kann als Flüssigkeitsschall weitergeleitet werden
Wie verhalten sich das Ovale Fenster, runde Fenster und das Trommelfell im Hörvorgang zueinander?
Schallwellen treffen auf Tympanum → überträgt Schwingungen auf Gehörknöchelchen → ovales Fenster verbindet letztes Glied (Steigbügel) mit Scala vestibuli
rundes Fenster verbindet Mittelohr mit Scyla tympani; dient zum Druckausgleich
Wie geschieht Fourier-Transformation durch Cochlea?
- mechanische Zerlegung der komplexen Schallwelle in ihre Frequenzen → Frequenzanalyse:
einzelne Frequenzen werden an bestimmten Orten abgebildet
bei einem Frequenzgemisch werden einzelnen Frequenzen getrennt
- durch mechanische Eigenschaften der Basilarmembran vermittelt
Wie kommt die Frequenzselektivität verschiedener Teile der Cochlea zustande?
Frequenz-Ort-Transformation und cochlearer Verstärker:
Vergrößert Amplitude der Wanderwelle (agiert gegen dämpfemde Käfte der Cochlea):
ermöglicht gutes Frequenzunterscheidungsvermögen, beruht auf kontraktilen Eigenschaften von Haarsinneszellen
Prestin-Motoren in Zellmembran äußerer Haarzellen üben Kraft auf Tektorialmembran aus → verändern Schwingungseigenschaften (entweder bei Depolarisation oder zentral durch efferente Innervierung)
Was sind Cochlea Implantate?
künstliche elektronische Cochlea:
sehr dünne, flexible Kabelbündel (durch Loch in Cochlea gefädelt)
An welcher Stelle sitzen die für die Transduktion im Hörvorgang primär verantwortlichen Kanäle und wie werden diese geöffnet?
an Spitze der Stereovilli (Haarsinneszellen) befinden sich Kaliumionenkanäle
-> werden durch Scherkräfte, die auf Stereovilli wirken, geöffnet & geschlossen
Außenseite der Ionenkanäle: mechanischer Deckel zum Verschließen der Pore
-> am Deckel “tip-links” → verbinden Ionenkanäle miteinander
Kanal: mechanisch gesteuerte Kaliumkanäle (TRAP1)
Wie öffnen Kanäle in Haarsinneszellen?
Scherkräfte an Stereovilli öffnen/ schließen die Kanäle
mechanischer Deckel an Außenseite des Ionenkanals
Skizzieren Sie den anatomischen Aufbau einer inneren Haarsinneszelle.
Basalteil & Außenteil
besitzen selbst keine Auxone
Außenglied:
registriert mechanischen Reiz über Stereozilien → zu einem Bündel zusammengefasst
neben Stereozilien befindet sich ein einzelnes Kinozilium
Basalteil:
Zellkern und die üblichen Organellen → Ruhemembranpotential der Sinneszelle wird hier erzeugt
Basis präsynaptische Endigung & besitzt Vesikel mit Neurotransmitter
Skizzieren Sie den funktionellen Bau einer einzelnen Haarsinneszelle und nennen die wichtigen Schritte bei dem Transduktionsprozess dieser Sinneszellen.
Auf- und Abbewegung der Tektorial- und Basilarmembran erzeugt Scherkräfte → registriert an Haarsinneszellen durch mechanorezeptive K+ Kanäle
K+ Kanäle an Stereozilien durch Filamente (tip links) verbunden → Scherkräfte an Zilien führen zur Öffnung/Schließung
einströmendes K+ depolarisiert Membranpotential (extrazelluläre Flüssigkeit bei Mechanorezeptoren mit hoher K+ Konzentration)
Depolarisation öffnet spannungsabh. Ca2+ Kanäle → Ca2+ Einstrom führt zu Transmitterfreisetzung an Basis der Haarzelle, afferente Zellen erzeugen APs
bei Bewegung Stereozilie in Richtung Kinozilium: Depolarisation
Gegenrichtung: Hyperpolarisation, ohne Reiz Spontanentladungen der afferenten Neurone
Beschreiben Sie die Hauptfunktionen der a) inneren und b) äußeren Haarsinneszellen! Wie spiegelt sich die Funktion in der Innervierung wieder?
Cochlea: 3 Reihen äußere & eine Reihe innere Haarsinneszellen
a) sensorische Aufnahme mechanischer Bewegung fast ausschließlich durch innere Haarsinneszellen
b) äußere Haarsinneszellen erhalten vor allem efferente Innervierung durch übergeordnete Zentren des ZNS
Warum hören die meisten kleinen Säuger im Ultraschallfrequenzbereich?
Gehörorgan kann Intensitätsunterschiede nur dann nutzen, wenn Wellenlänge des Schalls im Vergleich zum Kopfdurchmesser klein ist:
sonst ist Kopf ein Hindernis für Schallwelle und bildet auf gegenüberliegenden Seite einen Schallschatten
bei kleinen Säugern ist der Kopf sehr klein → höhere Frequenzen sind besser hörbar
Was ist und was testet der Rinne-Test?
Test zur Prüfung des Gehörs, insbesondere Unterscheidung zw. Schallempfindungsstörung & Schallleitungsstörung
-> ausklingende Stimmgabel über Luftschall sollte länger hörbar sein
Was sind die Mechanismen und neuronale Substrate des Richtungshörens?
Außenohr: Ohrmuschel mit akustischen Resonatoren erzeugt spektrale Unterschiede je nach Position im Raum (grobe Ortung in Medianebene)
Richtungshören erfordert Verrechnung der Meldungen von beiden Ohren
interaurale Intensitätsunterschiede (laterale superoire Olive):
Schalldruck rechts oder links etwas größer → Kopf als Schallschatten (funktioniert nicht wenn Schallereignis von beiden Ohren gleich weit entfernt)
Frequenzen ≥ 3 k Hz (Schallschatten entfaltet größere Wirkung bei hohen Frequenzen)
interaurale (Lauf-)Zeitunterschiede (mediale superiore Olive):
Schall erreicht Ohr um wenige Zeiteinheiten früher (µs)
Frequenz ≤ 500 Hz (Ankunftszeiten niederfrequenter Schalls besonders gut registriert)
mittlerer Frequenzbereich von etwa 3 kHz keine zuverlässigen Informationen über Schallrichtung via Laufzeit- oder Indentitätsunterscheidung
Was ist das Salvenprinzip in den Rezeptorneuronen des Hörsystems? Warum ist das Salvenprinzip wichtig?
Salvenprinzip: Phasenkopplung auditorischer Rezeptorneurone
afferente Rezeptorneurone erzeugen AP nur in festen Phase der Schallschwingung
Aufsummieren der Meldungen vieler Neurone → für Kodierung ist es ausreichend, wenn nur 1 Neuron jede 3. bis 4. Schwingung ein AP erzeugt wird → Häufung von AP bei Phase von 90° jeder einzelnen Schwingung
erreicht zeitlich präzise Abbildung von Schwingungen:
- Laufzeitunterschiede werden auf späteren Ebene berechnet
- Prinzip wird aber zur Schalllokalisation über intraaurale Zeitunterschiede genutzt
Welche beiden physikalischen Kenngrößen setzt der Mensch bei der Schalllokalisation ein? Welche Kenngröße eignet sich besser für die Ortung bei niedrigen (< 3kHz) und welche bei höheren Frequenzen (>3 kHz)?
Schalldruck
interaurale Intensitätsunterschiede eher bei höheren Frequenzen
Schallfrequenzen
interaurale Zeitunterschiede eher bei niedrigen Frequenzen
Ortung in Medianebene durch akustische Resonatoren der Ohrmuschel
Schalllokalisation bei Schleiereulen: (1) Welche physikalischen Kenngrößen benutzt die Schleiereule zur Schalllokalisation ? (2) Welche Anpassungen besitzt die Schleiereule, um die Höhe einer Schallquelle zu bestimmen ? (3) Erläutern Sie, wie Koinzidenzdetektoren zur Schalllokalisation der Schleiereule beitragen.
asymmetrisch angeordnete Ohren und Parabolspiegel aus Gesichtsgefieder (links nach unten gerichtet, rechts nach oben) – Informationen über Höhe (vertikale Ebene) einer Schallquelle via Intensitätsunterschiede
Verzögerungsleitungen und Koinzidenzdetektion im Nucleus laminaris:
AP von beiden Seiten erreichen Reihe von Neuronen, die nur dann aktiviert werden, wenn AP von beiden Seiten zur gleichen Zeit eintreffen
Ortung der Schallquelle in horizontaler Ebene via Laufzeitunterschiede (Phasenkopplung mit diesem Prinzip sogar bis 10 kHz)
Schleiereulen können Schallquellen im Raum gut lokalisieren, weil..
sie asymmetrische Ohren besitzen ✅
in ihrem Innenohr keine Frequenz‐Orts‐Transformation stattfindet
die Meldungen von beiden Ohren durch Koinzidenzdetektoren verglichen werden ✅
sie auch mit einem Ohr schon sehr gut Schall lokalisieren können
das Salvenprinzip bei ihren auditorischen Neuronen keine Bedeutung hat
Was sind Gemeinsamkeiten zwischen menschlichem Spracherwerb und Gesangslernen in Vögeln?
kritische Phase (Lernen zu einem bestimmten Zeitpunkt)
soziale Interaktionen (Lernen anhand Melodie des Vaters)
üben von einzelnen dazu gelernten Silben durch Verdopplung (Subsong – schult Stimmapparat)
Wo sitzen die den Hörvorgang primär verantwortlichen Kanäle und wie werden sie geöffnet?
an Spitze der Stereovilli (Haarsinneszellen) sind Ionenkanäle für Kalium:
durch Scherkräfte, auf Stereovillie öffnen und schließen
Außenseite der Ionenkanäle: mechanischer Deckel → schließt Pore
am Deckel sind tip-links → verbinden Ionenkanäle miteinander
Kanal: mechanisch gesteuerte Kaliumkanäle (TRPA1)
Auf welche Weise unterscheiden sich Schmerzsinn (Körpersinne) und Tastsinn?
besitzen verschiedene Rezeptoren, verwenden verschiedene sensorische Bahnen & es sind verschiedene Regionen des Gehirns beteiligt
a. Tastsinn (Mechanotransduktion)
in fast allen Zellen → uibquitär (auch Pilze, Bakterien ABER nicht Erythrocyten)
steigt in den Hinterstrangbahnen auf
mechanosensitive Kanäle → insgesamt schwer zu untersuchen
b. Körpersinne (Schmerz, Hitz, Juckreiz)
separates Sinnessystem, subjektive Wahrnehmung
spinothalamische (anterolaterale Trakt)
Homeostasefunktion, vereint uns mit Körper → Körper im GG halten
soll Störungen der Funktion und Ganzheitlichkeit des Organismus entgegenwirken
Welche Zellen zeigen Mechanosensitivität?
Mehrheit der zum somatosensorischen System gehörenden Rezeptorzellen
Welche Schwierigkeiten treten bei der Analyse mechanosensitiver Kanäle auf?
kooperieren mit Hilfsstrukturen → lassen sich schlecht röntgenkristallographisch darstellen
Patch clamp verformt Membran & öffnet Kanäle beim Ansaugen → Artefakte
kaum Pharmaka, welche sensitiv auf Mechanorezeptoren wirken
Welche Befunde lassen eine Plastizität kortikaler Karten im adulten Säuger erkennen?
- Reorganisation des Cortex nach Fingeramputation
wird Finger 3 chirurgisch entfernt → Reorganisation des Cortex → Größenzunahme der Repräsationsareale der Finger 2 und 4 - kortikale Änderung nach Deafferentierung (Nervendurchtrennung):
nach Nervendurchtrennung finden sich fast keine stillen kortikalen Regionen mehr → umliegende Bereiche übernehmen die Arbeit - kortikale Änderung nach Syndactylie:
Fingergrenzen verschwinden im Cortex, wenn zusammengenäht - kortikale Änderung durch Training:
extremes Training führt zu Vergrößerung der Areale (der beanspruchten Gliedmaßen) auf cortikaler Karte
Wo liegt der primäre somatosensorische Kortex des Menschen und wie ist er strukturiert?
mittiger Abschnitt der Hirnrinde → postzentral am Frontallappen durch zentralen Sulcus (Furche) getrennt
somatosensorischer Cortex besteht aus 4 Arealen, dicht nebeneinander liegend (vertikal)
-> 1, 2, 3a und 3b → schmaler Streifen
Wie ist der somatosensorische Kortex organisiert?
4 dicht nebeneinander liegende Areale → schmaler Streifen, vertikal
vollständige geordnete Körperrepräsentation (Humunuculus)
unterschiedliche Reaktion auf Reize je Areal
6 horizontale Schichten, ziehen sich durch gesamte Hirnrinde
Schicht IV: thalamische Innervation (Eingänge) → vor allem im somatosensorischen Cortex
meist Pyramidzellen
80-90% erregende Zellen; 10-20% hemmende Zellen
Kortikale synaptische Transmission
Wie reorganisiert sich die somatosensorische Hirnrinde nach Amputationen?//Wie verändert sich die Körperkarte im somatosensorischen Kortex bei Amputationen?
einzelne Fingerglieder sind auf Oberfläche des S1-Cortexareals repräsentiert
wird bspw. Finger 3 entfernt → Reorganisation des Cortex → Größenzunahme der Repräsentationsareale von Finger 2 und 4
betroffene Hirnareale sprechen mehr auf Reizung an → umliegende Bereiche übernehmen Arbeit mit
Was sind Körperzugehörigkeitsstörungen und wie können solche Störungen verursacht werden?
im somatosensorischen Cortex gibt es geordnete Repräsentation der Körperoberfläche → somatosensorische Karten
durch periphäre Läsionen (Verlust von Hand, Arm oder Bein) werden verlorene Extremitäten manchmal als “Phantomglieder” wahrgenommen → Bereich ist noch im somatosens. Cortex vorhanden
Schädigungen werden verneint
kleine Schäden bleiben oft unbemerkt bis hin zu einem Taubheitsgefühl
Plastizität des Systems
Was bewirken Lasionseffekte im somatosensorischen System?
kleine Schäden bleiben oft unbemerkt bis hin zu Taubheitsgefühl → durch Plastizität des Systems
größere Schäden können zu Körperzugehörigkeitsstörungen bzw. Phantomgliedern unter Verneinung der Schädigung führen → Bereich ist im somatosensorischen Cortex noch vorhanden
Was sind die Eigenschaften des Dehnungsreflexes?
monosynaptisch, la-affarente Fasern mit exzitatorischen Verbindungen zu alpha-Motoneuronen (innervieren den Muskel, aus dem sie entstehen) und Motoneurone, synergistische Muskeln innervieren → inhibitorische Verbindung zu Motorneuronen, die antagonistische innervieren
bei Dehnung feuern la-Affarenzen → Kontraktion des gedehnten Muskels und synergistischer Muskeln und Entspannung antagonistischer Muskeln → Dehnungsrefelx wirkt der Verlängerung des Muskels entgegen
reziproke innervation
Was ist Zustandsabhängigkeit bei Reflexe?
Reflexe = einfachste Reiz-Reaktionsmuster
Stereotypie gilt für eingeschränkt
Reflexreaktionen sind oft komplex & können sich je nach motorischer Aufgabe anpassen
einige Reflexe leiten Bewegung ein → Vermeidung potentiell gefährlicher Situationen
Nennen Sie Eigenschaften von Reflexen.
schnell
oft stereotyp
koordinierte, unwillkürliche motorische Reaktionen
ausgelöst durch einen auf peripheren Rezeptor einwirkenden Reiz
Reizsensitivität-Reaktionsstärke-Proportionalität → kein alles-oder-nichts Prinzip
Trägt das Kleinhirn zum motorischen Lernen bei? Wenn ja, auf welche Weise?
ja
Kleinhirn enthält große Anzahl winziger Körnerzellen, die je nur wenige Eingänge von Moosfasern erhalten
Purkinje-Zellen in Kleinhirnrinde erhalten je 10.000 Eingänge von Parallelfasern, aber nur einen Eingang von einer einzigen Kletterfaser (ist extrem stark)
Was sind α- und γ-Motoneurone?
A. alpha-Motoneurone
großer Durchmesser
innervieren Skelettmuskelfasern (Fasern außerhalb der Muskelspindeln), die für Ausführung von Bewegung nötig sind
B. gamma-Motoneurone
kleiner Durchmesser
innervieren intrafusale Muskelfasern der Muskelspindel (spez. sensorische Muskelfasern mit nicht-kontraktilen Zentralregionen) – regulieren deren Empfindlichkeit
Beschreiben Sie kurz die Rolle der gamma-Motor Neurone
Muskelspindel erkennt Veränderungen der Muskellänge
nur gamma-Motoneurone innervieren die kontraktilen polaren Bereiche der intrafusalen Fasern
Was sind Spiegelneurone (Mirror Neurons)?
Was sind Spiegelneurone (Mirror Neurons)?
im Motor Cortex
Spiegelneurone reagieren offenbar auf bestimmte motorische Handlungen
ganz gleich, ob Affe Handlung selbst durchführt oder andere dabei beobachtet
Was sind corticomotoneurale Verschaltungen in Primaten?
willkürliche Bewegung in bestimmte Richtung nicht durch Aktivität einzelner Neurone bestimmt → sondern durch Netzwerk von Neuronen-Populationen
Beitrag einzelner Neurone als Vektor dargestellt – Vektorlänge impliziert Aktivitätslevel während der Bewegung
Populationsvektoren: Richtung der berechneten Vektoren entsprechen in guter Annäherung der tatsächlichen Bewegungsrichtung
