Neurophysiologie_Übungsfragen

Question 1

Was versteht man unter der Neuronendoktrin?

Answer 1

• das Gehirn besteht aus diskreten Recheneinheiten (einzeln autonom, physisch getrennt), die untereinander über chemische Synapsen in Verbindung stehen (und wie später auch bestätigt über elektrische Synapsen)
• maßgeblich für die Formulierung der Neuronendoktrin war der Befund der Golgi-Färbung von neuronalem Gewebe

Question 2

Welche der folgenden Aussagen treffen für den anterograden Vesikeltransport in einer Nervenzelle zu?

a) Die Vesikel werden von der Synapse zum Soma transportiert
b) Kinesin bildet den molekularen Motor
c) Die Transportgeschwindigkeit kann 200mm/d und mehr betragen
d) Mikrofilamente bilden die Leitschienen für den Transport
e) Es werden nur Transmitter und Neuropeptide transportiert

Answer 2

a) Nein, vom Soma zur Synapse
b) Ja
c) Ja
d) Nein, Mikrotubuli bilden die Leitschiene für den Transport
e) Nein, auch Wachstumfaktoren, Bausteine, Neuropeptide

Question 3

Was Aufgabe hat die Blut-Hirn-Schranke und durch welche Barrieren wird sie gebildet?

Answer 3

• konstante Umgebungsverhältnisse und Konzentration von Proteinen und Ionen
• Abschirmung zum Blutsystem um Störfaktoren auszugrenzen und trotzdem mit Nährstoffen und Sauerstoff versorgt werden
• Schranke:
• die Gehirnkapillaren weisen im Endothel tight-junctions auf, die ein unwillkürliches Permeieren verhindern
• auf etwa 20% der Endothelien liegen Perizyten auf, die regulatorische Funktionen aufweisen
• zusätzlich findet eine Abschirmung durch die Fortsätze der Astroglia statt

Question 4

Die Nernst-Gleichung gibt nicht das Ruhepotential einer Nervenzelle an! Was wird damit berechnet? Wie kann die Gleichung trotzdem benutzt werden, um das Ruhepotential und das Aktionspotential zu beschreiben?

Answer 4

1. die Nernst-Gleichung gibt das Gleichgewichtspotential für eine Ionensorte an
2. unter Berücksichtigung aller am Ruhe- und Aktionspotential beteiligter Ionensorten und ihrer spezifischen Permeabilität lässt sich die Nerstgleichung in die GHK-Gleichung überführen
3. das Ruhepotential zeichnet sich hierbei durch eine hohe Permeabilität für Kalium bei geringerer Permeabilität für Natrium und Chlorid
4. während des Aktionspotentials ändern sich die Permeabilitäten zugunsten von Natrium, was zur Depolarisation führt

Question 5

Wie entsteht die Selektivität von Ionenkanälen für An- oder Kationen?

Answer 5

• Porengröße durch Anordnung der Transmembranproteine
• spezifische Interaktion mit der Hydrathülle z.B. von Carboxylatgruppen der beteiligten Aminosäuren → Ladung

Question 6

Nernstschte Gleichung Parameter

Answer 6

R = allgemeine Gaskonstante
T = absolute Temperatur in Kelvin
F = Faradaysche Konstante
P = Permeabilität (= Leitfähigkeit, invers zu Widerstand)
[Konzentration] K = Kalium, Na = Natrium, Cl = Chlorid

Question 7

Benennen Sie die Bestandteile des Zytoskeletts und ihre jeweilige Funktion in der Nervenzelle!

Answer 7

1. Mirkotubuli (Röhre aus Tubulin, 24nm Durchmesser)
   - Stützfunktion und Vesikeltransport (assoziiert mit Kinesin und Dynein)
2. Mikrofilamente (gewundener Doppelstrang aus Actin, 7nm Durchmesser)), assoziiert mit Myosin
   - Beweglichkeit
3. Intermediärfilamente = Neurofilamete (heterogen aus 5 Proteintypen, 10nm Durchmesser)
   - Stützfunktion

Question 8

Welche Formel ist für die Berechnung des Potentials einer Ionensorte mit der Nernst-Gleichung relevant?

Answer 8

58 mV*log([K] außen/[K] innen) = xy mV

Question 9

Welche Größen müssen bekannt sein, um das Ruhepotential einer Nervenzelle in guter Näherung zu berechnen?

Answer 9

• die Innen- und Aussenkonzentration von Kalium-, Natrium- und Chloridionen sowie geladener organischer Moleküle (Aminosäuren, Proteine…)
• die Permeabilitäten der Membran für diese Stoffe
• Temperatur (T), Gaskonstante (R), Faraday-Konstante (F)

Question 10

Die Zeitkonstanten einer Nervenzelle wirken sich auf die zeitliche Summation im Dendriten aus. Erläutern Sie diesen Zusammenhang an 2 Neuronen mit gleichem präsynaptischem Eingang aber unterschiedlichen Zeitkonstanten!

Answer 10

• Je größer die Zeitkonstante (entsprechend Widerstand und Kapazität), desto länger zieht sich der Verlauf eines einzelnen Aktionspotentials → limitierend für die Übertragungsfrequenz
• bei großer Zeitkonstante summieren sich hochfrequente präsynaptische Potentiale postsynaptisch auf → sind nicht mehr als diskrete Potentiale kenntlich, da noch keine vollständige Repolarisation erfolgt ist, jedoch wird die absolute Signalstärke erhöht
• bei kleiner Zeitkonstante hingegen sind die Potentiale postsynaptisch weiterhin als diskret und mit üblicher Signalstärke erkennbar → deutlicher Vorteil für die digitale Datenverarbeitung τ=R⋅C

Question 11

Was versteht man unter der Zeit- und Längskonstante?

Answer 11

1. die Zeitkonstante beschreibt die zeitliche Änderung des Membranpotentials bei einem Stromfluss über die Membran → gibt die Zeit an bis zum Erreichen von 63% des Endwertes der Spannung und wird bestimmt von Widerstand und Kapazität
2. die Längskonstante beschreibt den Abfall des Membranpotentials in Abhängigkeit von der Ausbreitungsentfernung → gibt an, bei welcher Distanz noch 37% der Spannung ankommt und wird bestimmt durch Längs- und Querwiderstand (λ= wurzel (R_m/R_i))

Question 12

Von welchen Größen hängt die Längskonstante an?

Answer 12

• vom Querwiderstand (r_m) = Membranwiderstand (Permeabilität) → optimierbar durch Isolation mittels Myelinisierung und Reduktion der Ionenkanalzahl
• vom Längswiderstand (r_lr) (entsprechend des Durchmessers) → optimierbar mittels Durchmessererhöhung (Riesenaxone)
• λ= √ (r_m/r_l)

Question 13

[1] Was versteht man unter zeitlicher und räumlicher Summation in einer Nervenzelle?
[2] Von welchen Größen hängen diese beiden Formen der Summation jeweils ab und
[3] in welchem Bereich einer Nervenzelle sind sie von besonderer Bedeutung?

Answer 13

1. Zeitliche Summation:
   - Je größer die Zeitkonstante (entsprechend Widerstand und Kapazität), desto länger zieht sich der Verlauf eines einzelnen Aktionspotentials
   - limitierend für die Übetragungsfrequenz diskreter Signale da sich sonst ab einer bestimmten Frequenz mehrere Einzelsignale postsynaptisch aufsummieren (da ggf noch keine vollständige Repolarisation erfolgt ist)
   - relevant vor allem bei der Übertragung von Signalen an Synapse zwischen zwei Nervenzellen
2. Räumliche Summation:
   - in Abhängigkeit der Längskonstante und der Lokalisation mehrerer Synapsen am Dendritenbaum
   - mehrere präsynaptische Signale können sich auf ihrem Weg durch den Dendritenbaum bis zum Axon zu einem stärkeren postsynaptischen Signal aufsummieren
   - dies kann unter Umständen für eine Signalweiterleitung auf das nächste Neuron nötig sein, da ein Aktionspotential nur beim Überschreiten eines bestimmten Schwellenwertes ausgelöst werden kann

Question 14

Erläutern Sie den Verlauf eines Aktionspotentials mit Hilfe der Gleichgewichtspotentiale für Natrium und Kalium.

Answer 14

1. wenn das Potential langsam ansteigt, öffnen ab einer Schwelle von -40mV spannungsabhängige Natriumkanäle, die durch Natriumeinstrom (Gleichgewichtspotential +67mV) zu einer Depolarisation von bis zu +30mV führen
2. nach kurzer Zeit gehen die Natriumkanäle in einen inaktiven (ballAndChain) Zustand über → Natriumstrom bricht ab
3. das Öffnen spannungsabhängiger Kaliumkanäle führt durch verstärkten Kaliumausstrom zur Repolarisation sowie Nachhyperpolarisation
4. nach der Refraktärzeit befindet sich das Neuron wieder im Ruhepotential und kann erneut erregt werden

Question 15

Was versteht man unter der Refraktärzeit eines Aktionspotentials? Wodurch wird sie bestimmt und welche Konsequenzen hat sie?

Answer 15

• Zeit nach dem Aktionspotential, in der das Neuron nicht erneut erregbar ist
• absolut (0,5ms) begrenzt durch Kinetik der Natriumkanäle → müssen von inaktiv wieder in geschlossenen Zustand zurückkehren, bevor sie erneut geöffnet werden können
• –> Depolarisation ist nur durch ein starkes Signal möglich
• –> Zelle ist im Regelfall nicht erregbar

Question 16

Wie wurde erstmals nachgewiesen, dass Transmitter an chemischen Synapsen in Quanten bzw Vesikeln freigesetzt werden?

Answer 16

• Untersuchung durch Katz 1955 an der motorischen Endplatte (günstig, da hier deutlich mehr Vesikel entleert werden, als bei Interneuronen → ~200 vs. 1-10)

1. Beobachtung: Messung von kleinsten postsynaptischen Potentialen gleicher Größe bei geringem Calciumeinstrom
2. Beobachtung: alle Reaktionen sind ein ganzzahliges Vielfaches dieser Ereignisse
   - -> Rückschluss: es werden Transmitter aus Vesikeln ähnlicher Größe in unterschiedlicher Zahl je nach Kalziumeinstrom freigesetzt

Question 17

Welche Formen des Vesikel-Recyclings kennen Sie?

Answer 17

1. klassische Theorie: bei Exozytose fusioniert Vesikel vorübergehend mit der Membran (dauerhaft ungünstig, da dies zu einer Erhöhung der Kapazität der Membran führt) → es folgt eine Rückgewinnung des Vesikels durch Endozytose, welche ggf auch Clathrin-vermittelt stattfindet
2. Kiss and Run: Vesikel berührt nur kurzzeitig die Membran um sich zu entleeren und wandert in Folge wieder tiefer in die synaptische Endigung hinein
3. Bulk-Endozytose: größere Membranbereiche werden nach innen abgeschnürt und dienen → hieraus sprossen im Weiteren mehrere Vesikel, die neu mit Transmitter beladen werden können

Question 18

Nennen Sie 3 Kriterien, die erfüllt sein müssen, um den Nachweis zu erbringen, dass Moleküle in der präsynaptischen Endigung als Transmitter wirken

Answer 18

1. Synthese in präsynaptischer Endigung → ausreichende Konzentration
2. Effekt kann auch durch externe Zugabe in den synaptischen Spalt induziert werden
3. Nachweis eines spezifischen Rezeptors, Blockade durch spezifische Hemmstoffe möglich
4. Möglichkeiten der Eliminierung des Transmitters aus dem synaptischen Spalt

Question 19

Nenne Sie vier Eigenschaften von Neuropeptiden

Answer 19

1. sind Aminosäureketten (5-30 Aminosäuren) und häufig auch als Hormone wirksam
2. müssen im Soma synthetisiert und zur Synapse transportiert werden
3. wirken relativ langsam und langanhaltend
4. Deaktivierung durch Peptidasen, keine Wiederaufnahme in die präsynaptische Endigung

Question 20

Durch welche Prozesse werden Neurotransmitter nach der Ausschüttung über die präsynaptische Endigung wieder aus dem synaptischen Spalt entfernt?

Answer 20

• Diffusion
• Wiederaufnahme in die präsynaptische Endigung (Katecholamine)
• Aufnahme durch die Gliazellen (Serotonin, GABA)
• Inaktivierung durch Spaltung (Acetylcholinesterase, Peptidasen u.a.)

Question 21

Erläutern sie kurz die Begriffe EPSP und IPSP!

Answer 21

1. EPSP = exzitatorisches postsynaptisches Potential → Änderung des Potentials der postsynaptischen Membran, welches durch Depolarisation zum Auslösen eines Aktionspotentials im postsynaptischen Element beiträgt → ausgelöst durch das Öffnen ligandengesteuerter Natriumkanäle
2. IPSP = inhibitorisches postsynaptisches Potential → Änderung des Potentials der postsynaptischen Membran, welches durch Hyperpolarisation das Auslösen eines postsynaptischen Aktionspotentials hemmt → ausgelöst durch das Öffnen ligandengesteuerter Kalium- oder Chloridkanäle

Question 22

Ionotropen und metabotropen Rezeptor

Answer 22

1. **Ionotrope Rezeptoren:
   - **z.B. nikotinischer Acetylcholinrezeptor oder Glutamatrezeptor
   - sind ligandengesteuerte Ionenkanäle, die durch Öffnen direkt und relativ schnell die Ausbildung eines exzitatorischen oder inhibitorischen Potentials an der postsynaptischen Membran bewirken
2. Metabotrope Rezeptoren:
   - z.B. muskarinischer Acetylcholinrezeptor oder Serotoninrezeptor
   - ändern ligandengesteuert ihre Konformation und setzen so eine an G-Protein gekoppelte Enzymkaskade in Gang (second messenger) → über indirektes Gating ist der Effektor dennoch ein Ionenkanal, jedoch ist Reaktionszeit relativ Lang und die Wirkung eher modellierend

Question 23

Wodurch wird bestimmt, ob eine chemische Synapse eher exzitatorisch oder inhibitorisch wirkt?

Answer 23

• wird durch die Art der postsynaptischen Rezeptoren bestimmt
• der gleiche Transmitter kann an unterschiedlichen postsynaptischen Neuronen sowohl hemmend als auch erregend wirken

Question 24

Welche Grundformen synaptischer Plastizität kennen Sie? Bei welchen Prozessen ist synaptische Plastizität wichtig?

Answer 24

1. Kurzzeit-Dynamik
2. Langzeit-Plastizität
3. assoziatives Lernen,

Question 25

Was versteht man unter dem Weberschen Gesetz?

Answer 25

• Δ I / I=konstant → der wahrnehmbare Unterschied zwischen zwei Reizen ist proportional zur absoluten Intensität der Reize

Question 26

Erläutern Sie den Begriff afferente und efferente Neuronen und geben Sie je ein Beispiel!

Answer 26

• afferente Neuronen leiten Signal vom Körper in das Zentralnervensystem (z.B. sensorische Neurone)
• effernete Neuronen leiten Signal vom Zentralnervensystem zum Erfolgsorgan (z.B. Motorneurone)

Question 27

Benennen Sie die Unterschiede im Transduktionsprozess zwischen einer Haarsinneszelle und einem Photorezeptor!

Answer 27

1. Haarsinneszellen
   - über mechanosensitiven Ionenkanal
   - der Prozess ist insgesamt sehr direkt und schnell
   - im Vorfeld ist eine mechanische Verstärkung des Reizes notwendig
   - Besonderheit: Rezeptorpotential durch Calcium
2. Photorezeptor
   - hohe Empfindlichkeit, großer Verstärkungsfaktor innerhalb der Transduktion möglich
   - über relativ langsame Sehkaskade nach Absorption durch Rhodopsin
   - Besonderheit: Dunkelstrom, Reiz bewirkt Hyperpolarisation

Question 28

Erläutern Sie am Beispiel des Sehsystems mit einer Skizze das Prinzip und die Wirkung der lateralen Inhibition!

Answer 28

• Neuronen, die Signale von Photorezeptoren empfangen sind neuronal lateral-inhibitorisch verschaltet
• wenn von benachbarten Rezeptoren unterschiedlich starke Signale ankommen, wird das schwächere der beiden Signale zugunsten des stärkeren gehemmt → Kontrastüberhöhung
• Wahrnehmung eines einzelnen Reizortes wird verstärkt (ähnlich Hochpassfilter)

Question 29

Skizzieren Sie die wesentlichen Schritte beim Transduktionsprozess in einer Haarsinneszelle!

Answer 29

1. Schallfrequenz durch Frequenz-Orts-Transformation
2. Bewegung der Basilarmembran gegenüber der Tektorialmembran
3. Haarsinneszellen auf der Basilarmembran besitzen mechanosensitive Ionenkanäle, die je nach Auslenken der Stereocilien gegeneinander direkt durch Tip-Links öffnen
4. Einstrom von Kalium aus der Endolyphe bewirkt eine Depolarisation der Sinneszelle
5. dies öffnet spannungsabhängiger Calciumkanäle → Glutamat wird ausgeschüttet
6. die innervierenden Bipolarzellen des Spiralganglions bilden das Aktionspotential
7. eine Verschärfung des Signals ist durch laterale Inhibition möglich

Question 30

Was ist das Salvenprinzip in den Rezeptorneuronen des Hörsystems? Warum ist es wichtig?

Answer 30

• Gruppen von Neuronen in der Chochlea feuern einzeln betrachtet in Frequenzen, die deutlich unterhalb der tatsächlichen Schallfrequenz liegt, jedoch in ihrer Summe ergibt sich ein phasengekoppeltes Gesamtsignal entsprechend hoher Frequenz (geht bis fast 5000 Hz)
• die durch die Phasenkopplung entstehende zeitliche Präzision kann zur Schalllokalisation über intraaurale Zeitunterschiede genutzt werden (bis 3 kHz)

Question 31

Wieso können Schleiereulen Schallquellen im Raum gut lokalisieren?

Answer 31

• Weil sie asymmetrische Ohren besitzen
• Weil die Meldung von beiden Ohren durch Koinzidenzdetektoren verglichen wird