Informationsübertragung durch Nervenzellen (N1)
- Wie ermöglicht die Struktur eines Neurons die Aufnahme und Weitergabe von Informationen?
- Wie erfolgt die Informationsweitergabe zur nachgeschalteten Zelle und wie kann diese beeinflusst werden?
Wie schafft der Jäger Bär es seinen Fisch zu zu fangen?
einfaches Reiz-Reaktionschema:
Ball > Auge > Sehnerv > Gehirn > Rückenmark > Nerven > Armmuskulatur > Fangen des Balls
Das Auge nimmt den Ball wahr, die Information wird über den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet, dieses wiederum gibt einen Befehl über das Rückenmark und Nerven die Armmuskulatur weiter, so dass der Ball gefangen wird (oder auch nicht).
Fachbegriffe:
Erregung
Reiz
adäquater Reiz
Inadäquater Reiz
afferente Nervenbahnen
efferente Nervenbahnen
Sinnesorgane
ZNS (Zentrales Nervensystem)
Reiz-Reaktionsschema
Wie ist ein Neuron aufgebaut und wie funktioniert es?
Abb.: Mikroskopische Aufnahme eines Neurons bei der Maus (Zerebraler Cortex, das grün fluoreszierendes Protein wird exprimiert. Die rote Antikörper-Färbung zeigt GABA-produzierende Interneuronen. Maßstabsbalken: 100 µm
- Dendrit
- Zellkern Nervenzelle
- Soma (Zellkörper)
- Axonhügel
- Ranvierscher Schnürring
-
Schwann‘sche Scheide
(Hüllzelle, Gliazelle) - Zellkern Hüllzelle
- Axon
- Endverzweigung
- Endknöpfchen (NICHT Synapse)
Weiterleitung von Informationen
Der Zustand, wenn nichts passiert...
Vereinfachter Einstieg:
Alternative Zugänge:
Nun beginnt die Aktion...
Alternative Zugänge aus dem Lk
Alternativfilm:
Übungsmaterial:
Wie werden Aktionspotenziale weitergeleitet?
Zugänge:
Zwei Wege:
a) Die kontinuierliche Erregungsleitung:
An marklosen Nervenfasern entstehen Ausgleichsströmchen, die für eine Depolarisation der Membran im direkten Umfeld sorgen. Dabei gilt: Bereits erregte Bereiche können in den folgenden 2ms nicht neu erregt werden, da die Natriumkanäle unsensibel bleiben > Refraktärzeit
b) Die saltatorische Erregungsleitung
Bei markhaltigen Nervenfasern können nur an den Schnürringen Natriumionenkanäle in Aktion treten. Dabei Springt das AP von Schnürring zu Schnürring > saltatorische Erregungsleitung (besonders schnell, energie- und materialschonend)
Leitungsgeschwindigkeiten im Vergleich (Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Nervenleitgeschwindigkeit)
| Fasertyp/-klasse (nach Erlanger/Gasser) | Leitungsgeschwindigkeit | Durchmesser | efferent zu: | afferent von / (Einteilung nach Lloyd/Hunt): |
|---|---|---|---|---|
| Aα | 60–120 m/s | 10–20 µm | Skelettmuskel (extrafusal) | Skelettmuskel: Muskelspindel (Ia), Golgi-Sehnenorgan (Ib) |
| Aβ | 40–90 m/s | 7–15 µm | Hautrezeptoren (Berührung, Druck) (II) | |
| Aγ | 20–50 m/s | 4–8 µm | Skelettmuskel (intrafusal) | |
| Aδ | 10–30 m/s | 2–5 µm | Hautrezeptoren (Temperatur, schneller Schmerz) (III) | |
| B | 5–20 m/s | 1–3 µm | Präganglionäre Viszeroefferenzen | |
| C (ohne Myelinscheide) | 0,5–2 m/s | 0,5–1,5 µm | Postganglionäre Viszeroefferenzen |
langsamer Schmerz, Thermorezeptoren (IV) |
Wie funktioniert die Übertragung wo eine Nervenfaser endet? Synapsen übertragen einen elektrischen Impuls meist in chemischer Form
Vertiefung: Vergleich zweier Synapsentypen (vgl. Biosphäre S. 47)
Wie werden verschiedenen Infos weitergeleitet? Verrechnung & Verschaltung
Es existieren hemmende und erregende Synapsen mit unterschiedlichen Transmittern. Erregende Synapsen bilden erregende postsynaptische Potentiale (EPSP) und hemmende Synapsen hemmende (inhinitatorische) postsynaptische Potentiale durch Hyperpolaristaion der postsynaptisches Membran. Entsprechend müssen alle ankommenden Potentiale in der Zelle verrechnet werden:
- zeitliche Summation
- räumliche Summation
- Verrechnung von EPSPs und IPSPs
Vergleich der chem. mit einer elektrischen Synapse:
Die elektrische Synapse besteht aus zwei Poren- oder Kanalproteinen, die direkt miteinander verbunden sind. Man spricht oft auch von zwei "Halbkanälen", die dann zusammen eine durch beide Zellmembranen gehende Pore bilden, durch die Na+-Ionen und andere Ionen strömen können. Einsatz: Übertragung Augennerv
Vorteile der elektrischen Synapse:
Sie sind wesentlich schneller als chemische Synapsen, da keine Umwandlung elektrisch → chemisch → elektrisch stattfinden muss, was etwa eine halbe Millisekunde dauert (das ist lang im Vergleich zu einer elektrischen Übertragung).
Nachteile:
Komplexe Verrechnungs- oder Verstärkungseffekte sind bei elektrischen Synapsen nicht möglich, dies ist ein Spezialgebiet der chemischen Synapsen. Vorgänge wie Lernen und Gedächtnis sind mit elektrischen Synapsen nicht möglich.
Neben chemischen Synapsen gibt es auch einen Übertragungsweg an sogenannten elektrischen Synapsen. Dort diffundieren die Ionen über Gap junctions in einem vergleichsweise recht engen synaptischen Spalt. Die Kanäle sind in beide Richtungen durchlässig (bidirektional). Diese elektrische Kopplung findet sich häufig bei Wirbellosen. Bei uns Menschen sind diese eher an der Schmerzreaktion beteiligt. Dort laufen die Informationen nahezu verlustfrei und schnell über Gap junctions
Vertiefung (nur Lk)
EPSs und IPSs können unterschiedlich gesteuert werden
Synthese von Neurotransmittern läuft unterschiedlich (nur Lk) (vgl. Biosphäre S. 48/49)
Klassische Versuche zur Neurobio: Der Vagusnerv (vgl. Biosphäre S. 47)
Störungen:
Wie können körperfremde Substanzen Einfluss auf die Weiterleitung von Informationen nehmen?
Wirkung verschiedener Nervengifte auf die colinerge Synapsen (vgl. Biosphäre S. 54/55)
Sinnesreize: Die Aufnahme von Reizen durch Sinnesorgane und der Übergang dieser Reize zu Signalen (nur Lk)
2014 entwickelten ein französisches und japanisches Unternehmen den Roboter Pepper, der sich in der Interaktion menschenähnlich verhält. Kameras und Mikrofone im „Kopf“, Druck- und Berührungssensoren am Kopf und in den Füßen ermöglichen es ihm, Informationen aus der Umwelt aufzunehmen.
Basics:
Sinneszellen oder Rezeptorzellen können den Kontakt zur Außenwelt herstellen und eine Aktivität im NS auslösen. Wir unterscheiden:
- Chemorezeptoren reagieren besonders auf bestimmte chemische Stoffe. Sie ermöglichen Geruchs- und Geschmackswahrnehmung.
- Thermorezeptoren sind temperaturempfindliche Sinneszellen.
- Mechanorezeptoren reagieren auf mechanische Reize wie Berührung, Druck und Vibrationen.Sie sind für den Tastsinn, den Hörsinn und den Gleichgewichtssinn grundlegend.
- Elektrorezeptoren & Magnetrezeptoren registrieren elektrische beziehungsweise magnetische Felder. Sie kommen beispielsweise bei Haien und Zitteraalen vor, nicht jedoch bei Menschen.
- Schmerzrezeptoren registrieren mechanische, chemische oder thermische Reize, die das Gewebe schädigen können.
Sinneszellen bilden ein Rezeptorpotenzial unterschiedlich. Die Frequenz der gebildeten AP ist dabei proportional zur Höhe der ursprünglichen Depolaristaion.
Tierische "Supernasen" (vgl. Biosphäre S. 61)
Für die allermeisten Tiere ist ein Waldbrand eine absolute Katastrophe. Viele verlieren ihr zu Hause und ihre Nahrungsgründe, manche auch ihr Leben. Deshalb gibt es bei Waldbrand für sie nur ein Motto: Nichts wie weg!
Nicht so der Schwarze Kiefern-prachtkäfer. Der fliegt in die Gegenrichtung. Denn wenn irgendwo der Wald brennt, dann beginnt für die Käfer die beste Zeit des Jahres - die Paarungszeit. Aus allen Himmelsrichtungen kommen sie zusammen und paaren sich zwischen den rauchenden Baumstümpfen. Danach legen die Weibchen ihre Eier unter die verkohlte Rinde. Denn das ist der Sinn der Übung: Die Käferlarven fressen mit Vorliebe verbranntes Holz - und sind dabei auch noch vor Fressfeinden sicher
Weil jeder Muskel über elektrische Signale zur Kontraktion gereizt wird, baut jeder Organismus ein elektromagnetisches Feld um sich herum auf - und genau dieses kann der Hai wahrnehmen. Mehr noch: das hoch empfindliche Sinnessystem kann sogar die Stärke und Richtung der elektrischen Felder spüren. Beutetiere können so in vollkommener Dunkelheit aufgespürt werden. Große Hammerhaie orten auf diese Weise im Sand vergrabene Stechrochen.
Wie läuft das eigentlich mit dem Riechen?
Komplexe Verarbeitung im Sinnesorgan: Das Sehen
vgl. Biosphäre S. (62/63)