Nervensystem ist übergeordnete Steuerungs- und Kontrollinstanz des Körpers besteht aus Nervenzellen und Stützzellen (z. B. Glia) hat drei Hauptfunktionen.

Nervensystem

• ist übergeordnete Steuerungs- und Kontrollinstanz des Körpers

• besteht aus Nervenzellen und Stützzellen (z. B. Glia)

• hat drei Hauptfunktionen

• Reizaufnahme

• Reizintegration, Interpretation, Handlungsplanung

• Bewegungssteuerung

Elementare Aufgaben des ZNS bzgl. Außenwelt

Aufbau des Nervensystems

• ZNS besteht zu 80 % aus Zellen, 20 % Extrazellulärsubstanz

• Zentrales Nervensystem (ZNS) • peripheres Nervensystem• Gehirn • Hirnnerven• Rückenmark • Spinalnerven

---------------------------------------• sensorische Nerven (afferent)

• somatisch• viszeral

• motorische Nerven (efferent)• somatisch• autonom (viszeral)

Organisationsebenen des ZNS

Autonomes und (somatisches) Nervensystem

Stützzellen (Glia) im PNS2 Typen in Peripherie (PNS), 4 Typen im ZNS

• Aufgaben: Ernährung der Nervenzellen / Stützstrukturen /

Elektrische Isolation / Leitstrukturen während Wachstum

• Schwann-Zellen

• umgeben größere Nervenfasern

• erzeugen Myelin-Scheiden

• funktionell ähnlich den Oligodendrozyten

• essentiell für Regeneration peripherer Nerven

• Satelliten-Zellen

• umhüllen Neurone in Ganglien

• Funktion weitgehend ungeklärt

Stützzellen (A): Schwann‘sche Zellen & Satellitenzellen

Stützzellen (Neuroglia) im ZNS

• Astrozyten (ZNS)• sternförmig• häufigster Typ• wichtig für Stoffaustausch mit Kapillaren, als Leitstrukturen, K+- und

Neurotransmitter-Deaktivierung; Signalweiterleitung über ‚gap-junctions‘ und intrazelluläre Ca-Pulse

• Mikroglia• ‚dornen‘besetzte Fortsätze• eliminieren Mikroorganismen & tote Nervenzellen (-> Makrophagen;

(Phagocytose)) [Immunsystem ohne Zugang zum ZNS]• Ependymale Zellen

• kleiden Liquorräume von Gehirn und Rückenmark aus• Oligodendrozyten

• produzieren Myelin-Scheiden im ZNS

Stützzellen (B): Astrozyten und Mikroglia

Stützzellen (C): Ependym-Zellen und Oligodendrozyten

Nervenzell-Histologie

• Nervenzellen übermitteln Information mittels elektrischer Prozesse

• sind extrem langlebig, d. h. > 100 Jahre

• sind amitotisch - kein Ersatz bei Tod (Ausnahme: olfaktorische Neurone,

einige Hippokampus-Neurone)

• sehr hohe Stoffwechselrate, benötigen ständig reichhaltige Zufuhr von

Glukose und Sauerstoff (wenn Zufuhr fehlt, Zelltod nach wenigen Minuten)

• sind in der Regel große, reich verzweigte Zellen, mit z. T. ca. 1 m langen

Ausläufen (Axonen)

• bestehen i. d. R. aus Dendrit (Eingang), Zellkörper (Integration) und Axon

(Ausgang)

Struktur eines motorischen Neurons

(Nerven-)Zellkörper

• Synonyme: Zellkörper = Perikaryon = Soma

• Durchmesser: 5 bis 140 µm

• enthält Nukleolus -> Biosynthese/Zytoplasma/übliche Organellen außer

Centriolen

• sehr stark ausgeprägtes rauhes endoplasmatisches Retikulum (‚Nissl-

Substanz‘)

• Zellansammlungen im ZNS heißen ‚Nucleus‘ (Kern)

• Zellansammlungen im PNS heißen ‚Ganglion‘

Nervenzell-Fortsätze (a)

• ZNS = hauptsächlich Zellkörper• PNS = hauptsächlich Zell-Fortsätze• Bündel von Fortsätzen = Trakt (ZNS) bzw. Nerv (PNS)• Dendriten

• in der Regel kurz (insb. bei Motor-Neuronen oft mit .Spines‘)• leiten graduierte Potentiale• enthalten fast alle Organellen-Typen• Ausdehnung bestimmt das rezeptive Feld

Nervenzell-Fortsätze (b)• Axone

• i. d. R. nur 1 Axon/Nervenzelle; u. U. lang & verästelt (Axon-Kollateralen)• beginnt am Axonhügel (dort Entstehung des Aktionspotentials)• enden in bis zu 10.000 Axon-Terminalen (‚Buttons‘)• enthalten gleiche Organellen wie Soma & Dendrit, außer Golgi & Nissel (-> keine Protein-Synthese)• Versorgung vom Kern (aktiver axonaler Transport) mit

Membran-Ersatz, Mitochondrien, Enzymen ect.• Kinderlähmung/Herpes simplex/Tetanus-Toxin: werden durch retrograden Transport zum Kern gebracht

Myelin-Scheiden

• insb. für dicke Nervenfortsätze (Axone)• weißliches Lipo-Protein als elektrische Isolation• Beschleunigung der Nervenfortleitung bis ca. Faktor 100 -> bis 150 m/s• durch Schwann-Zellen gebildet (rollen sich um Axon)• Membranen enthalten keine „Kanäle“/wenig Protein -> gute Isolation• äußerste Lage der Schwann-Zellen = Neurilemma• in regelmäßigen Abständen (ca. 1 mm) Myelin-freie Axonbereiche =

Ranvier‘sche Schnürringe (dort Kollateralen)• Nervenfasern, die von Schwann-Zellen ohne Einrollung umhüllt werden,

heißen ‚unmyelinisiert‘ (bis 15 Axone/Schwannzellen)• im ZNS Myelin-Scheiden gebildet durch Oligodendrozyten (nicht

Schwann-Z.). Dort bis zu 60 Neurone/Oligodendrozyt, Schnürringe in größerem Abstand, kein Neurilemma, ‚weiße Substanz‘.

Schwann‘sche Zelle und Axon im peripheren Nerv

Klassifikation von Nervenzellen

strukturell funktionell• multipolar (99 % aller Neurone) • sensorisch (= afferent = zum ZNS)

• drei oder mehr Fortsätze • überwiegend unipolar, Zell-(1 Axon, > 1 Dendriten) körper liegen nicht im ZNS

• bipolar (in Sinnesorganen) • motorisch (= efferent = vom ZNS• zwei Fortsätze (Axon, weg)

Dendrit) • zu Muskeln & Drüsen• unipolar (oder: pseudounipolar) • meist multipolar, Zellkörper im

• T-förmiger Fortsatz: nur Axon ZNS• hpts. in peripherem senso- • Interneurone (hpts. im ZNS)

rischem Ganglion • 99 % der Neurone des Körpers• multipolar

Vergleich von Neuronen-Typen (A)

Vergleich von Neuronen-Typen (B)

Vergleich von Neuronen-Typen (C)

Grundlagen der Bio-Elektrizität

• Nervenzellen erzeugen passiv fortgeleitete oder aktive Aktions-Potentiale

• Körper ist insgesamt elektrisch neutral, besitzt aber unterschiedlich

geladene ‚Kompartimente‘ (vgl. Batterie)

• Potential-Differenz wird in V oder mV (= 0,001 V) gemessen

• Stromfluss (I) nimmt zu mit Potential-Differenz (V) und nimmt ab mit

Widerstand (R) (Ohm‘sches Gesetz: I = V/R)

• im Körper beruht Stromfluss i. d. R. auf Bewegung von Ionen, nicht von

freien Elektronen, normalerweise durch Membranen hindurch

• Membran-Kanäle (passiv <-> aktiv (= ‚gated‘)) lassen i. d. R. nur einen

Ionen-Typ passieren

• Ionen bewegen sich entlang chemischer und elektrischer Gradienten

Funktionsweise gesteuerter Kanäle (A)

Funktionsweise gesteuerter Kanäle (B)

Potentialdifferenz zwischen Neuron und Umgebung

Ruhepotential

• Innenseite der Nervenmembran ist relativ zur Außenseite ca. -40 mV bis -90 mV geladen• geringere Na+ und höhere K+-Konzentration als außen• innen mehr negative Proteine (A-) außen mehr Cl-

• bedingt durch Na/K-Pumpe und differenzielle Permeabilität der Nerven-membran (in Ruhe 75fach permeabler für K+ als für Na+, frei permeabel für Cl-; alle potentialabhängigen Kanäle geschlossen)• K+ (und Na+) folgt osmotischem Gradienten• innen weniger positive Ionen = negative Ladung

• hängt ab von Membran-Permeabilität und Ionen-Konzentrationen• Depolarisation = Reduktion des Membranpotentials (weniger negativ/bzw.

positiv)• Hyperpolarisation = Verstärkung des negativen Potentials

Grundlagen des Ruhepotentials

Signal-Potentiale

• Graduierte Potentiale -> lokal (Dendriten/Rezeptoren), kurzlebig(z. B. Generator-Potentiale, postsynaptische P.)• Ausbreitung innen und außen entlang der Membran• schneller Abfall mit Entfernung vom Entstehungsort

• Aktionspotentiale (in Nerven- und Muskelzellen) (Dauer: ca. 1 ms.)• kurzdauernde Umkehr des Membranpotentials (von -70 mV auf + 30 mV)• vorübergehende Erhöhung der Na+-Permeabilität (Depolarisation; erster von 2

Na-Kanälen), gefolgt von• Wiederherstellung der Na+-Impermeabilität und • kurzzeitige Erhöhung der K+-Permeabilität (Repolarisation/Hyperpolarisation/

Refraktär-Periode)• Schwelle für Aktionspotential (= Selbst-Verstärkung der Depolarisation): ca

-50 bis -55 mV (Na+ Permeabilität: 1000fach höher als in Ruhe)• Na+-Einstrom für Schwelle: ca. 0,01 % Konzentrationsänderung der intrazellulären

Na+-Konzentration -> durch Na+/K+- schnell kompensiert

Depolarisation & Hyperpolarisation der Membran

Fortleitung des Aktionspotentials

• Umkehr des Membranpotentials führt zu Ionenverschiebungen zu/von

benachbarten Membranabschnitten

• dadurch Depolarisation benachbarter Membranabschnitte -> Generierung

eines Aktionspotentials bei Erreichen der Schwelle (‚Domino-Effekt‘)

(Nicht in den kurz zuvor depolarisierten Abschnitten: Refraktärzeit)

• Aktionspotential-Fortleitung folgt völlig anderem Prinzip als Leitung von

Strom in (elektrischen) Leitungen -> wesentlich langsamer

• ‚Alles oder Nichts‘-Prinzip der Membranerregung: Schwelle muss erreicht

werden (K+-Strom entspricht Na+-Strom), d. h. Eingangsreiz muss

ausreichend stark sein (ähnlich Feuer-Anzünden) -> Frequenz-Kodierung der

Reizstärke

Lokale Depolarisation der Membran

Weiterleitung der lokalen Membran-Depolarisation

Abfall der lokalen Depolarisation mit der Entfernung

Vier Phasen des Aktions-Potentials (AP)

Fortleitung eines Aktionspotentials (A)

Fortleitung eines Aktionspotentials (B)

Fortleitungsgeschwindigkeit

• hängt ab von Axondurchmesser (Längswiderstand) und Myelinisierung(Isolation)• schnellste Fasern (z. B. Körperstabilisierung): 150 m/s• langsame Fasern (z. B. Darmsteuerung): 1 m/s

• saltatorische Fortleitung:• Stromfluss quer zur Membran an Schnürringen• geringerer Abfall der Potentialdifferenz mit Abstand als ohne Isolation

• drei Klassen von Fasern• A = bis 150 m/s; überwiegend somatosensorisch/motorisch; sehr dick• B = ca. 15 m/s; dünne somatosensorische Fasern (Berührung/Schmerz)• C = 1 m/s oder weniger; sehr dünn, nicht myelinisiert

• Multiple Sklerose (MS), eine Auto-Immun-Erkrankung, zerstört Myelin-Scheiden -> Verzögerung bis Verhinderung der Impuls-Fortleitung(Axone selbst bleiben intakt)

• Verzögerung der Fortleitung durch Alkohol/Sedativa/Anästhetika/Druck/Kältedurch Verminderung der Na+-Permeabilität der Membran

• Verzögerung der Fortleitung an Synapsen für 0,3 - 5 ms.

Reizstärke und Entladungsfrequenz

Saltatorische Reizfortleitung

Typen chemischer Synapsen

Elektrische Synapsen

• Synapsen im allgemeinen meist zwischen Axon (präsynaptisch) und Dendrit/Soma (postsynaptisch) (Axo-denritisch, Axo-somatisch)• selten Axon -> Axon, Dendrit -> Dendrit / Dendrit -> Soma• Elektrische Synapsen (seltener) (= ‚gap-junctions‘)

• enthalten Protein-Kanäle, die Zytoplasma benachbarter Zellenverbinden

• bewirken sehr schnelle elektrische Kopplung der Zellen• verbreiteter in embryonalen Gehirnen; bei Erwachsenen z. B. für

Sakkaden-Generierung

Chemische Synapsen

• funktionieren mittels Neurotransmittern, die auf Ionenkanäle einwirken(keine elektrische Koppelung) -> Einbahnstraße• Ca+-Kanäle öffnen sich im präsynaptischen Axon-Terminal als Folge

des Aktionspotentials (zusätzlich zu Na+-Kanälen)• Ausschüttung von Neurotransmitter durch Exozytose (ca. 300 Vesikel),

Elimination von intrazellulärem Ca+

• Neurotransmitter bindet an postsynaptische Rezeptoren• Ionen-Kanäle in der postsynaptischen Membran öffnen sich -> Erregung

(EPSP) oder Hemmung (IPSP), abhängig vom Typ der Rezeptoren• Beendigung der Neurotransmitter-Wirkung durch enzymatischen Trans-

mitter-Abbau/Wiederaufnahme (Astrozyten/Präsynapse)/Diffusion• bestehen aus präsynaptischem Axon-Terminal mit synaptischen Vesikeln

und postsynaptischer Rezeptoren-Region (auf Dendrit oder Zellkörper).Dazwischen synaptischer Spalt (30-50 nm breit)

Folgen der Depolarisation einer Synapse

Postsynaptische Potentiale

Postsynaptische Potentiale (PSP)• postsynaptische Rezeptoren: öffnen spez. Kanäle = Umwandlung chemischer in

elektrische Signale

• postsynaptische Potentiale sind relativ unempfindlich gegenüber Membranpotential

( Aktionspotential) -> keine positive Rückkoppelung

• Graduierte Potentiale, Größe abhängig von Transmittermenge

• Exzitatorische postsynaptische Potentiale (EPSPs)

• Depolarisation der postsynaptischen Membran durch Öffnung eines Kanals,

der für K+ und Na+ permeabel ist

• keine Refraktär-Periode!, aber zeigt postsynaptische Summation

• kein Aktionspotential, Depolarisation max. bis 0 Volt

• Inhibitorische postsynaptische Potentiale (IPSPs)

• Unterschied zu EPSPs: Öffnung von (weiteren) K+ (und/oder Cl-)-Kanälen

-> Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran bis ca. -90 mV

Integration an Synapsen

• mehr als 1 EPSP erforderlich für Aktionspotential• Summation über Synapsen (Raum) und Zeit• Integration von EPSPs und IPSPs am Axonhügel• Effektivität von Synapsen hängt ab vom Abstand vom Axonhügel• ‚Über-lineare‘ Summation = Synaptische Potenzierung (1+1 = 3) vermutlich über

Ca++ in Prä- und Postsynapse • NMDA-Rezeptoren-vermittelt

• möglicherweise Substrat von Lernen• zusätzliche Effizienzerhöhung dendritischer Eingänge (über Rückwärts-

Aktionspotential) nach Erzeugung eines Aktionspotentials• Präsynaptische Modulation: über axo-axonale Synapsen -> weniger Transmitter-

Ausschüttung• Neuromodulation: Transmitter bewirkt (langsame) Veränderungen im Stoffwechsel

der Zielzelle (Transmitter-Synthese/Freisetzung/Wiederaufnahme)

Integration von EPSPs und IPSPs

Neurotransmitter

• z. Z. ca. 50 verschiedene Neurotransmitter (oder NT-Kandidaten) bekannt• viele Neurone produzieren zwei oder mehr verschiedene Transmitter!• verschiedene Transmitter für unterschiedliche Reizfrequenzen• Klassifikation aufgrund chemischer Struktur

• Acetylcholin (ACh) (z. B. motorische Endplatte, autonomes NS)• Biogene Amine (z. B. Katecholamine (Dopamin / Adrenalin / Noradrenalin /

Serotonin / Histamin))• Aminosäuren (GABA/Glyzin/Glutamat/Aspartat, nur im ZNS) • NO (Stickoxid); ATP; CO (NO evtl. für Rückmeldung an Präsynapse: Hebb!)

• Klassifikation aufgrund von Funktion• erregend versus hemmend: in Abhängigkeit vom Rezeptor kann Wirkung eines

Transmitters sich umkehren• direkt (Öffnen von Ionen-Kanälen) versus indirekt (über intrazellulären second

messenger)

Syntheseweg einiger Neurotransmitter

Neurotransmitter: Rezeptor-Mechanismus

Neuronale Integration

• Neuronenverbände haben unterschiedliche Verschaltungsmuster

• Divergenz/Konvergenz

• rückgekoppelt/oszillierend (-> Rhythmische Aktivität)

• parallel mit Nach-Erregung

• serielle Verarbeitung

• hierarchisch

• oft ohne Rückkoppelung, z. B. Reflexe

• parallele Verarbeitung

• mehrere parallele, gleichberechtigte Verarbeitungswege

Verschaltungstypen (A): Divergenz

Verschaltungstypen (B): Konvergenz

Verschaltungstypen (C): Rückgekoppelt/ Parallel

Einfacher Reflexbogen