Gehirn und zentrales Nervensystem PDF

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Gehirn und zentrales Nervensystem 1. Vorlesung: Überblick -

Neuro: Nerv, Hirn, Neurowissenschaften, Neuroinformatik Hirnfunktionen: elektrisch, mechanisch, chemisch, mystisch Motorik – Sensorik: Bewegung – Fühlen; Robotik / Haptik Sinne: Wahrnehmung – Mustererkennung Gedächtnis: Datentransfer – Modulation – Speicherung „Wunderwerk“ Gehirn

Einführung -

Themen: Anatomie: Physiologie: Pathologie: Diagnostik: Behandlung:

Anatomie, Physiologie, Krankheiten, Therapie Gehirn, Rückenmark. Nerven, Sinnesorgane, „Mensch“ Wie funktioniert es richtig Krankheitslehre – Wie funktioniert es falsch Wie finden wir es raus – Was nicht funktioniert Therapie – Neurochirurgie, etc.

Gehirn & Hirnfunktion -

100 Billionen Neuronen („Hardware“) 10000 Synapsen (mobile Schaltkreise → können abdocken und an anderem Nerv andocken) 1 Millisekunde durchschnittliche Signalverarbeitung 1018 Transaktionen pro Sekunde (sehr variabel) Elektrische und chemische Prozesse in Wechselwirkung

Nervensystem -

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Zentrales Nervensystem (ZNS) o Gehirn, Hirnnerven, Rückenmark o Großhirn, Kleinhirn, Hirnstamm Peripheres Nervensystem (PNS) o Plexus, Nervenwurzel, peripherer Nerv Autonomes Nervensystem o Sympathikus – Parasympathikus (Stressnerv – Ruhenerv) o Läuft autonom, ohne nachdenken

Hirnnerven -

12 Hirnnerven Durch Auge laufen mehrere Hirnnerven

Vegetatives Nervensystem -

Tränenflüssigkeit ist zum Beispiel autonom, Herzschlag, Atmen, Verdauen Sympathikus: Stressnerv Parasympathikus: Ruhenerv

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2. Vorlesung: Motorik und Sensorik Motorik -

Bedeutung Bewegungstechnik, Bewegungsfertigkeit, Bewegungswissenschaft, Bewegungslehre Lat. motor = Beweger, movere = bewegen, antreiben Motorik steht für die Gesamtheit der Aktionen der Muskulatur

Bewegungskunst,

Spezialgebiete der Motorikwissenschaften: - Sensomotorik: o Beschäftigt sich mit Zusammenhängen von Sinneseindrücken und Muskelaktivität o Untersucht Komplexverbindungen von visuellen und taktilen Wahrnehmungen, nervaler Reizleitung und motorischen Vorgängen o Methodik ist vergleichbar mit Kybernetik - Psychomotorik: o Erforscht die wechselseitigen Beziehungen von geistig-seelischer Verfassung und Befindlichkeiten des menschlichen Körpers o Befasst sich mit den für die Persönlichkeit charakteristischen Ausdrucksformen wie Mimik, Gestik, Körperhaltung, Gehweise, Sprechen und Sprache

Sensorik -

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Bezeichnet die Wissenschaft und Anwendung von Sensoren zur Messung und Kontrolle von Veränderungen von biologischen oder technischen Apparaten oder Systemen Unterschiedliche Abgrenzung im deutschsprachigen Raum: teilweise werden nur Sensorelemente der Messtechnik, teilweise binäre, also schaltende Systeme, teilweise werden Labor- und Industrie-Messsysteme zur Automatisierung eingeschlossen Behandelt technische Produkte, die nicht-elektrische Messgrößen in elektrische Signale wandeln

Muskulatur -

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30-40% des Körpergewichts Muskelarbeit: Umwandlung chemische in mechanische Energie Unterschiedliche Muskulatur: (werden unterschiedliche angesteuert) o Quergestreifte Muskulatur: Skelett, (willkürlicher Ansatz, Spitzenbelastung) (Herz ist quergestreift, aber nicht willkürlich, sondern autonom) o Glatte Muskulatur: Hohlorgane: Magen, Darm, Gefäßsystem (nicht willkürlich generierte Systeme) Sehnen – Skelettansatz: Willkürmotorik Nerven & Blutgefäße: Versorgung mit Information & Energie

Muskulatur allgemein - Willkürmotorik: „bewusster“ Muskeleinsatz - Idee: Hirnaktivität SMA – gespeicherte Bewegungsgrundmuster - Gezielte Reizleitung: motorischer Kortex – RM – Nerv - Informationsweiterleitung: motorische Endplatte - Muskelarbeit: Ansatz Skelett – Kraftrückmeldung – Modulation 2

Zellulärer Mechanismus

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Troponin ist die Bindungsstelle an der Aktin und Myosin zusammenkommen, kurz aneinanderhaften und sich dann wieder lösen (Energieverbrauchende Moment) Myosinköpfchen kippt und richtet sich neu aus (das ist der energieverbrauchende Moment) Triphosphat wird in Diphosphat gespalten → geht auf niedrigere Energiestufe zurück Kette, die in eine Richtung gezogen wird von mehreren kippenden Myosinköpfchen wird die Aktinkette in eine Richtung gezogen → verkürzt sich das gesamte kontraktile Filament und ATP das anhaftet (also neuer Energieträger) wirkt als Weichmacher und löst kurzfristige Anhaftung auf. Dadurch kann weiter in eine Richtung gezogen werden → ständiges Umschlagen des Köpfchens

Motorische Endplatte - Überträgt den elektrischen Reiz von einer Nervenfaser via chemischen Impuls auf die Muskulatur - Ist eine chemische Synapse mit dem Neurotransmitter Acetylcholin

Nerven -

Aufbau der Nervenzelle: Axone & Synapsen Axone: Myelinscheiden Synapsen: mobile Übertragungsstationen Reizleitung: elektro-chemisch Molekulare Mechanismen: Aktionspotential

Zytoplasma: - Füllt Zelle wie eine Suppe - Besteht aus Wasser, Salzen, Eiweiß, Fetttröpfchen, Zucker Organellen: - Funktionseinheiten einer Zelle - Wichtigste Funktionen im Folgenden Zellkern (Nukleus): - Trägt gesamte Erbinformation gespeichert in langen chemischen Molekülen = DNS Mitochondrien: - Kraftwerke der Zelle - Energiegewinnung aus Zucker mit Hilfe des Zitronenzyklus unter O2 Verbrauch 3

Endoplasmatisches Retikulum: - Sorgt für Membranaufbau - Dient als Speicher, Stofftransport innerhalb der Zelle (interzellulär), Stoffspeicher Ribosomen: - Eiweißfabriken unserer Zellen - Eiweiß-Ketten werden nach Bauplan (DNA aus dem Zellkern) zusammengesetzt Golgi-Apparat: - Verpackungsfabrik - Sekrete werden in kleine Bläschen (Vesikel) verpackt und zum Plasmalemm gebracht Lysosomen: - Mit Eiweiß abbauenden Enzymen - Enzym: Eiweiß, das eine biochemische Reaktion in Gang setzt, vergleichbar mit „Lötkolben“ oder „Schneidbrenner“ - Verschmelzen mit den ankommenden Nahrungsvakuolen und die Enzyme der Lysosomen bauen die „Nahrung“ ab Zytoskelett: - Besitzt Mikrofilamente aus Eiweißfäden, die sich aneinander entlang hangeln können Mikrotubuli: - Eiweißröhrchen mit deren Hilfe sich z.B. Einzeller fortbewegen Mikrovilli: - Fingerförmige Membranausstülpung (z.B. zur Oberflächenvergrößerung im Darm)

Aufbau & Funktionen von Zellmembranen -

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Zellmembranen einer Nervenfaser sind 5nm dick Zellmembran besteht aus einer Doppelschicht von Lipiden, deren lipophile Seite nach innen und deren hydrophile Seite nach außen zeigt In Lipiddoppelschicht sind Proteine eingebaut, die verschiedene Funktionen erfüllen. Bei einigen dieser Proteine handelt es sich um Ionenkanäle, welche die Zellmembran für bestimmte Ionen durchlässig machen Ionenkonzentration innerhalb und außerhalb der Zelle sind unterschiedlich. o Konzentration der positiv geladenen Kaliumionen ist im Zellinneren höher o Konzentration der positiv geladenen Natriumionen kommen häufiger außerhalb der Zelle vor o Konzentrationsgefälle wird durch Ionenpumpe aufrechterhalten (ein Pumpzyklus: 3 Natriumionen nach außen und 2 Kaliumionen in die Zelle) o Benötigte Energie wird durch die Spaltung von ATP (Adenosintriphosphat) gewonnen

Elektro-chemische Mechanismen -

Kalium- und negativ geladene Chloridionen (Cl-) diffundieren durch die Ionenkanäle, aber Zellmembran ist für Natriumionen undurchlässig Wegen hoher Konzentration im Zellinneren strömen Kaliumionen laufend durch die Membranporen ins Außenmedium Chloridionen, deren Konzentration im Außenmedium höher ist, diffundieren in geringerem Umfang ins Zellinnere → außerhalb der Zelle entsteht ein Überschuss an positiv geladenen, innen an negativ geladenen Ionen

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Ionenkanäle sind relevant bei der Kommunikation von Nervenzellen und der Innervation von Muskeln Poren in der Zellmembran ermöglichen den geladenen Teilchen in rasanter Geschwindigkeit in Zellen hinein- und wieder hinauszuströmen Viele Ionenkanäle sind auf eine bestimmte Ionensorte spezialisiert Kaliumionen passieren die Kanäle trotz der positiven Ladung und der Abstoßung dicht hintereinander Nur Kaliumionen können ihre Wasserhülle abstreifen, um den engen Ionenkanal zu passieren Durch Potentialdifferenz wird der Ausstrom der Kaliumionen gebremst, so dass sich ein Gleichgewichtszustand zwischen der nach außen gerichteten Diffusionstendenz und der nach innen gerichteter elektrischer Anziehung für Kaliumionen einstellt. Umgekehrt für Chloridionen Gleichgewichtszustand bei dem das Zellinnere gegenüber dem Zelläußeren negativ geladen ist Gleichgewichtszustand wird als Ruhepotential bezeichnet In der Membran eines Axons befinden sich spannungsgesteuerte Porenproteine, deren Durchlässigkeit vom Membranpotential abhängig ist. Beim Ruhepotential sind die Natriumkanäle geschlossen, nur ein Teil der Kaliumporen ist geöffnet Wird das Axon durch einen elektrischen Reiz etwas depolarisiert, öffnen sich einige Natriumporen Erst wenn die Depolarisation einen Schwellenwert erreicht, öffnen sich alle Natriumkanäle, während die Anzahl der durchlässigen Kaliumporen zunächst unverändert bleibt. → Zu Beginn des Aktionspotentials strömen mehr Natriumionen nach innen, als Kaliumionen nach außen, so dass im Inneren des Axons ein Überschuss an positiver Ladung entsteht Die Membran ist also gegenüber dem Ruhezustand umgekehrt geladen Nach 1-2ms schließen sich die Natriumporen wieder, während sich alle noch geschlossenen Kaliumkanäle öffnen. → Membranpotential kehrt rasch wieder zum Ruhewert zurück

Elektrische Nervenleitung -

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Entsteht durch Reizung einer bestimmten Stelle ein Aktionspotential, grenzen an dieser Stelle positive und negative Ladungen ohne trennende Membran aneinander Es entstehen Ausgleichsströme, da sich Ionen unterschiedlicher Ladung gegenseitig anziehen. → Membranpotential der benachbarten Stellen wird erniedrigt. Ist der Schwellenwert erreicht, entsteht auch hier ein Aktionspotential Neu entstandene Aktionspotentiale erniedrigen wieder das Aktionspotential benachbarter Stellen, auch an der ursprünglichen Reizstelle, die jedoch noch unerregbar ist, so dass hier kein Aktionspotential entsteht

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Funktionsweise Synapse -

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Neurotransmitter werden in den Nervenzellen produziert und wandern in kleinen Bläschen zum Endkörper des Axons der Synapse Durch das Aktionspotential der Nervenzelle wird die Freisetzung der Neurotransmitter induziert Vesikel binden sich daraufhin and die präsynaptische Membran und der Inhalt der Vesikel wird dann in den synaptischen Spalt freigesetzt An der Synapse wird das elektrische Signal in chemisches umgewandelt → chemische Botenstoffe werden ausgeschüttet Chemische Botenstoffe diffundieren durch den synaptischen Spalt zur gegenüberliegenden Zelle und bewirken dann je nach Art des Neurotransmitters einen elektrischen Impuls Man unterscheidet zwischen exzitatorischer und inhibitorischer Synapse

Reizleitung: Signalmodulation -

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Aktionspotential besitzt immer die gleiche Amplitude und die gleiche Form → ein einzelnes Signal kann außer dem Ort, an dem es gesendet wird keine Informationen tragen. → Information wird also über die Frequenz der Aktionspotentiale und Dauer der Entstehung von Aktionspotentialen codiert Eigenschaften einer Synapse können sich kurz- oder längerfristig ändern Bei wiederholter Reizung kann eine verminderte Ausschüttung des Neurotransmitters erfolgen. Dies bezeichnet man als Habituation (Gewöhnung). Die Ausschüttung der Transmitter kann aber auch erhöht werden, also eine Sensibilisierung erfolgen Habituation und Sensibilisierung halten nur kurz an Es gibt aber auch längerfristige Veränderungen von Synapsen, die durch strukturelle Veränderungen der Synapsenregion entstehen

Chemische Synapsen -

Unterscheidung zwischen hemmende (inhibitorische) und erregende (excitatorische) Synapsen Effektorsynapsen: enden an verschiedenen Drüsen oder an Muskelzellen Rezeptorsysnapsen: dienen der sensiblen Innervation Interneuronale Synapsen: stellen Kontakt zwischen einzelnen Nervenzellen auf unterschiedlichste Weise her (häufig im Gehirn)

Elektrische Synapsen -

Mehrzahl der Synapsen arbeitet mit einer chemischen Informationsübertragung, es gibt aber auch direkte elektrische Weiterleitung Aktionspotential wird direkt ohne Umwege auf die nachfolgende Zelle weitergeleitet über direkte Verbindungskanäle (gap junctions)

Motorische Region (Gyrus präzentralis) -

Region, in der die Zellen die direkten Reizbefehle in die Peripherie (ins RM) geben Gliederung der primärmotorischen Rinde beim Menschen (Penfield)

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Sensible Region Tastsinn und Temperaturempfinden: - Im Gyrus postzentralis - Sensorischen Signale werden über das ZNS an das Gehirn zum somatosensorischen Cortex zur Weiterverarbeitung geleitet - Kann Größe, Gewicht, Form und Oberfläche eines ertasteten Gegenstandes bestimmen - Wärmerezeptoren: Ruffinische Endbüschel - Kälterezeptoren: Krausesche Endkolben - Gesicht und Hände sind großflächig auf dem sensorischen Cortex repräsentiert, während der übrige Körper deutlich weniger empfindlich ist Berührung und Druck: - Werden von 2 Rezeptortypen verarbeitet (Haarfolikelrezeptor, Meissnersche Tastrezeptoren) - Vater-Pacinischen Körperchen (Vibration) sind für Berührung im großflächigen Sinne zuständig - Merkelschen Scheiben reagieren auf örtlich exakt bestimmbare Berührung

Haut -

Oberflächensensibilität: Empfindungen, die über Rezeptoren in der Haut wahrgenommen werden Tastsinn wird als Oberbegriff für taktile und haptische Wahrnehmung verwendet Tiefensensibilität: o Wahrnehmung bestimmter Reize aus dem Körperinneren o Abhängig von Lage der Rezeptoren unterschiedet man die Tiefen- und die Oberflächensensibilität o Umfasst Lagesinn (Position des Körpers und Stellung der Gelenke), Kraftsinn (Information über Spannungszustand von Muskeln und Sehnen) und Bewegungssinn (Bewegungsempfindung und Erkennen der Bewegungsrichtung)

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3. Vorlesung: Sinnesorgane Nase -

Erfüllt Funktionen im Rahmen der Atmung und der Geruchswahrnehmung Luft wird beim Einatmen in der Nase erwärmt und angefeuchtet und die Nasenhaare und Flimmerhärchen fangen Fremdpartikel ab

Geruchsinn: -

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Ist mit Geschmacksorgan vernetzt Alle 60Tage erneuern sich die Geruchszellen Riechvorgang ist ein komplexer chemischer neuralen Vorgang An der oberen Nasenmuschel sitzende Riechschleimhaut scheiden sich Geruchsmoleküle an Rezeptormolekülen aus vorbeistreichender Luft ab Die Geruchsmoleküle an Rezeptormolekülen aus der vorbeistreichenden Luft ab. Die auf einzelne Duftstoffe ansprechenden Rezeptoren (347 verschiedene Rezeptortypen) bilden mit Riechköpfchen eine Matrixstruktur an der Oberfläche der Riechschleimhaut aus. Bei Vereinigung von Duftmolekül und Rezeptor werden Kaskaden in Rezeptorzellen ausgelöst, die als neuronale Signale über die Axone des Riechnervs durch die knöchernen Kanäle des Siebbeins an den vorgestülpten Riechkolben des Großhirns weitergeleitet werden. Olfaktorische System: o Komplex mit vielen Hirnarealen verschaltet o Es bestehen Verbindungen zum Hypothalamus (beeinflusst Nahrungsaufnahme und Sexualverhalten) und zum limbischen System (Instinktivverhalten und Gedächtnisleistungen)

Elektronische Nase: -

Vereint das „Erkennen“ von Gerüchen mit der technischen Durchführung mit elektronischen Sensoren Technisches System zur Messung von Gaskonzentrationen Im eigentlichen Sinne ist elektronische Nase nicht möglich, da Gerüche im Gehirn interpretiert werden Geeignet, um kontinuierlich Geruchsquellen zu beobachten (Klärtechnik. Entsorgungswirtschaft, Qualitätssicherung in Lebens- und Genussmittel)

Zunge – Geschmackssinn -

Fünf Grundqualitäten des Geschmacks o Süß (Zucker, Peptide, Alkohole) o Salzig o Sauer (saure und organische Säuren) o Bitter (Alkaloide, Glykoside) o Umami (jap. Fleischig, herzhaft; Glutaminsäure, Asparaginsäure) o Scharf ist ein Schmerzsignal durch das Alkaloid Capsaicin

Geschmackssinn -

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Werden über 3 Hirnnerven Nervus facialis (VII), Nervus glossopharyngeus (IX), Nervus vagus (X) ins Gehirn geleitet Erste Verschaltung im rostralen Anteil des Nucleus tractus solitarii statt. Von dort gelangen die Geschmacksinformationen weiter in den Thalamus. Von dort weiter zum Inselcortex (primäre gustatorische Cortex) Integration mit anderen Sinneseindrücken (Tast- und Temperaturinformationen im Mund) (Verschaltung mit Hypothalamus, limbisches System) 8

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Gesichtsnerv Nervus trigeminus (V) vermittelt taktile Empfindungen der Gesichtsregion und ist an der Duftwahrnehmung beteiligt. Er leitet Sinneseindrücke wie brennend, scharf, stechend, kühlend (irritative Eigenschaften). Der Trigeminusnerv hat keine spezifischen Sinneszellen nur freie sensible Nervenendigungen (Schmerzrezeptoren). Diese reagieren auf chemische Stimuli und befinden sich auch im Auge und in den Schleimhäuten der Nasen- und Mundhöhle (Schutzfunktion)

Auge – Sehen -

Augapfel ist kugelförmig und kann sich aufgrund seiner kardanischen Aufhängung um beliebig viele Achsen drehen Fast die hälfe der Hirnnerven ist für Auge zuständig

Aufbau des Auges -

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Hat einen Durchmesser von ca. 24mm Hülle besteht aus drei Schichten Äußere Augenhaut: o Durchsichtige Hornhaut (Cornea) befindet sich dort wo das Licht ins Auge eintritt o Geht unmittelbar in die weiße Lederhaut (Sclera) über, die den größeren Teil der äußeren Augapfelhülle bildet o Augenmuskeln, die das Auge in der Augenhöhle bewegen, setzen in Lederhaut an o Im vorderen Abschnitt ist sie von der Bindehaut bedeckt, sodass nur Cornea von Tränenflüssigkeit direkt benetzt wird Mittlere Augenhaut (Uvea) o Besteht aus drei Abschnitten o Aderhaut ist reich an Blutgefäßen o Ziliarkörper o Regenbogenhaut (Iris) Innere Augenhaut (Netzhaut oder Retina) o Enthält Lichtsinneszellen o Dort, wo der Sehnerv das Auge verlässt (Sehnervenpapille) befinden sich keine Lichtsinneszellen (Blinder Fleck) o Stelle des schärfsten Sehens ist der gelbe Fleck (Fovea) (meiste Sinnesrezeptoren)

Sensorzellen der Retina -

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Stäbchen (rods): Lichtsensoren o Können nur zwischen Helligkeitsstufen unterscheiden o 120 bis 150 Millionen Sensoren im peripheren Bereich verteilt Zäpfchen (cones): Farbsensoren o 3 Gruppen: violett, grün, gelb o Im Bereich der Fovea o Im Bereich von hohen Lichtintensitäten sehbar o 6 bis 7 Millionen Zäpfchen sind in 3 Gruppen unterteilt o Aufwendige Umrechnung im Gehirn, wodurch der Mensch in der Lage ist die Farben Rot, Grün und Blau wahrzunehmen

Visuelle Wahrnehmung -

In Retina beginnt der menschliche Seh-Apparat mit einer Auswertung der Bildinformation

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Die zur optischen Achse querverlaufenden horizontalen Zellen führen eine Differenzbildung zwischen den von den Sensorzellen kommenden Signalen durch → Kantenerkennung schon im Auge. Die Ganglionzellen leiten die Nervenimpulse weiter zum Sehnerv und zum Gehirn

Visuelles System -

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In der Netzhaut liegen lichtsensitive Zapfen und Stäbchen ergänzt durch Rezeptoren, die an ein spezielles G-Protein gebunden sind Proteinmoleküle bestehen aus den Bestandteilen von Vitamin A, gekoppelt mit dem Protein Opsin Eintreffende Lichtteilchen lösen beim Vitamin A eine Strukturveränderung aus, die das Protein Opsin mit dem Vitamin A agieren lässt. → Enzymausschüttung Enzymausschüttung führt zu einer negativen Aufladung der Zellmembran → löst Aktionspotential aus. Das optische Signal wird so in ein elektrisches Potential umgewandelt. Elektrisches Signal wird von speziellen in der Netzhaut angeordneten Auswertezellen verarbeitet Sie bilden ein Membranpotential, das ü...