M3 Biologische Grundlagen

• ist die extrazelluläre Messung der Impulsausbreitung in menschlichen Nerven nach deren elektrischer Reizung
• erfasst das synchrone Massenaktionspotenzial der schnellstleitenden Nervenfasern eines Nerven
  • große Anzahl gleichzeitig erregter Nervenfasern, da nur dann das elektrische Feld groß genug ist um mit dieser Methode messbar zu sein
  • es werden vorwiegend die Massenpotenziale der dicken Nervenfasern erfasst
• Verlangsamung der Erregungsleitung deutet auf eine Entmarkungskrankheit hin (Diabetis, MS, Neuritiden)
  • ENG kann dies erfassen und den Verlauf der Krankheit quantitativ dokumentieren
• die beim ENG abgeleiteten Potenziale sind hundert- bis tausendmal kleiner als die mit einer intrazellulären Mikroelektrode abgeleiteten

- chemisch

- elektrisch

- präsynaptische Endigung (die den Transmitter in Vesikeln enthält)

- post(sub)synaptische Membran (mit ihren Rezeptoren für den Transmitter)

"Erregendes postsynaptisches Potenzial"

- EPSP (erregende postsynaptische Potenziale): die durch den Einstrom von Na⁺- und Ca²⁺- Ionen verursacht werden

- IPSP (inhibitorische/hemmende postsynaptische Potenziale): die durch den Einstrom von Cl^--Ionen verursacht werden

Präsynaptische Seite:

• In der präsynaptischen Endigung ist der Transmitter (die Überträgersubstanz) in Vesikeln gespeichert
• In Ruhe wird nur gelegentlich der Inhalt einzelner Vesikel, als ein Quant Transmitter bezeichnet, exozytisch in den synaptischen Spalt freigesetzt
• Läuft ein Aktionspotenzial in eine präsynaptische Endigung ein, wird die Wahrscheinlichkeit der Transmitterfreisetzung kurzfristig erheblich vergrößert, so dass einige Hundert Quanten in den synaptischen Spalt freigesetzt werden
• An dieser Freisetzung sind Kalziumionen beteiligt, die während des Aktionspotenzials in die präsynaptische Endigung einströmen und dort über einen Aktivator die Transmitterexozytose steuern

Nach der Freisetzung des Transmitters:

• diffundiert dieser durch den synaptischen Spalt
• verbindet sich auf der postsynaptischen Seite mit Rezeptoren und führt dadurch zur Öffnung von Ionenkanälen und damit zu Ionenflüssen, die je nach Beschaffenheit
• zu erregenden oder hemmenden synaptischen Potenzialen (EPSP bzw. IPSP) führen

Beendigung der Transmitterwirkung:

• erfolgt entweder durch Wiederaufnahme des Transmitters in die präsynaptische Endigung oder durch enzymatische Spaltung des Transmitters (Wegdiffusion) in unwirksame Bestandteile

Der Zeitverlauf des EPSP des Motoneurons (Anstieg 2ms, Abfall 10-15ms) ist unabhängig von seiner Amplitude, d.h. von der Zahl der synchron erregten Synapsen

Das an den verschiedenen Synapsen gleichzeitig ausgelösten EPSP addieren sich in ihrer Amplitude. EPSP sind meist durch die gleichzeitige Aktivierung mehrerer Synapsen verursacht, d.h. einzelne EPSP ist von sehr kleiner Amplitude.

1. Einlaufen des Aktionspotenzials in die präsynaptische Endigung

2. Ca++-Ionen-Einstrom in die präsynaptische Endigung: Die Depolarisation der präsynaptischen Endigung durch das einlaufende Aktionspotenzial bewirkt das Öffnen von Ca++-Kanälen und damit den Einstrom von Ca++-Ionen

3. Präsynaptische Glutamat-Freisetzung: Die eingeström- ten Ca++-Ionen bewirken die synchrone, exozytotische Freisetzung von Glutamat aus zahlreichen synaptischen Vesikeln in den synaptischen Spalt

4. Glutamat diffundiert zu und reagiert mit den subsy- naptischen Glutamatrezeptoren: Die in den synap- tischen Spalt freigesetzten Glutamatmoleküle verbin- den sich mit den post-(sub-)synaptischen Glutamat- rezeptoren und aktivieren sie dadurch, d. h. sie öffnen ihre Membrankanäle, die für Na+-, K+- und Ca++-Ionen durchgängig sind

5. Öffnen der Ionenkanäle lässt synaptischen Strom fließen. Dieser Strom entsteht durch den Fluss von Na+- und Ca++-Ionen in das Motoneuron und zwar passiv entlang den Diffusionsgradienten. Er fließt nur sehr kurz (1–2 ms)

6. Der synaptische Strom bewirkt das EPSP, dessen Zeit- verlauf .Abb.4.3 zeigt. Der Anstieg ist Folge des eben genannten Ionenstroms, nach dessen Ende kehrt das Membranpotenzial passiv auf seinen Ruhewert zu- rück

7. Beendigung der Transmitterwirkung durch Wegdiffu- sion und Wiederaufnahme des Glutamat: In die prä- synaptische Membran eingebaute Transportproteine »pumpen« das Glutamat wieder zurück, soweit es nicht aus dem synaptischen Spalt abdiffundiert ist. Auch die postsynaptische Seite und die umgebenden Gliazellen nehmen mit Hilfe solcher Pumpen Glutamat auf

EPSP an anderen Neuronen gleichen denen an Motoneuronen, sie sind allerdings oftmals länger. (Manchmal auf kürzere Zeitverläuft)

Können viele Sekunden bis Minuten andauern (periphere sympathische Ganglienzellen)

Vor allem im Neokortex und Hippokampus

(Nicht gleichzusetzen mit verminderter Erregbarkeit von Neuronen als Folge vorausgegangener Erregung!)

!

über eine axoaxonische Synapse wird die Transmitterfreisetzung in der gehemmten präsynaptischen Endigung reduziert oder völlig verhindert; findet vorwiegend an den präsynaptischen Endigungen somatischer und viszeraler Afferenzen statt.

- präsynaptische Hemmung

- postsynaptische Hemmung

- über axosomatische und axodendritische Synapsen wird die Erregbarkeit der subsynaptischen Soma- und Dendritenmembran der Neuronen herabgesetzt

- spielt größere Rolle im Vergleich zu präsynaptische Hemmung

= Inhibitorische postsynaptische Potenziale

Reizung von Muskelspindelafferenzen erregt nicht nur die eigenen Motoneuronen, sondern hemmt gleichzeitig die Motoneurone des Gegenspielers (Antagonisten) am Gelenk. In dem antagonistischen Motoneuron treten Potenziale auf (hyperpolarisierende Potenzialverschiebung = Zellinneres negativer als Ruhepotenzial). Der Zeitverlauf der Potenziale entspricht spiegelbildlich dem Zeitverlauf des EPSP.

Durch die Hyperpolarisation wird das Membranpotenzial von der Schwelle für eine fortgeleitete Erregung entfernt und damit das Motoneuron gehemmt. Diese Hemmung wird als IPSP bezeichnet.

Es kommt zu einer Zunahme der Öffnung von Cl^--Kanälen und damit zu einem Einstrom von Cl^--Ionen (was das Ruhepotenzial erhöht/ Hyperpolarisation/ Zellinnere wird negativer).

An einigen hemmenden Synapsen kommt es nicht nur zur Öffnung von Chlorid- sondern auch von Kaliumkanälen (hat aber die gleiche Wirkung)

Ein im späteren Verlauf des IPSP ausgelöstes EPSP ist lediglich um den Be- trag der jeweiligen Hyperpolarisation verschoben (mittlere und rechte Registrierung in b), das während der Anstiegs- phase des IPSP ausgelöste EPSP ist jedoch kleiner als das Kontroll-EPSP in a.

Die Skizzen in c zeigen die Ursache für den unter- schiedlichen Effekt des IPSP während und nach der An- stiegsphase: Links sind erregende und hemmende Synapse etwa gleichzeitig aktiviert, und der Einstrom der Na+-Ionen an der subsynaptischen Membran der erregenden Synapse wird durch die an der hemmenden Synapse einströmen- den Cl–-Ionen teilweise kompensiert.

Die resultierende Potenzialänderung in depolarisierender Richtung ist daher kleiner als zu dem rechts gezeigten Zeitpunkt, bei dem die inhibitorische Synapse nicht aktiviert ist.

• Hyperpolarisation des Membranpotenzials, die das Membranpotenzial von der Schwelle entfernt
• Erhöhte Membranleitfähigkeit während der Anstiegsphase des IPSP wegen der vermehrt geöffneten Cl^--Ionenkanäle, die den erregenden Strom des EPSP "kurzschließen"

• Afferenzen werden an ihren präsynaptischen Endigungen von anderen präsynaptischen Endigungen kontaktiert und bilden gemeinsam eine axoaxonische Synapse
• Abbildung: Aufbau einer solchen axoaxonischen Synapse
• präsynaptische Hemmung wird durch die Aktivierung axoaxonischer Synapsen ausgelöst
• sie führt zur Abnahme der EPSP ohne IPSP auf der postsynaptischen Seite
• _______

• Die Arbeitsweise der axoaxonischen Synapse lässt sich wie folgt illustrieren:

  • Aktivierung der synaptischen Endigung 1 (Pfeil in . Abb. 4.7a) ruft in Neuron 3 ein EPSP von etwa 10 mV hervor.

  • Wird aber Axon 2 vor Axon 1 aktiviert (Pfeile in . Abb. 4.7b), so beträgt die Amplitude des EPSP nur noch 5 mV, ohne dass ein IPSP an der postsynaptischen Membran der Zelle 3 auftritt.

    Diese Form der EPSP-Hemmung ohne Änderung der postsynaptischen Membraneigenschaften bezeichnet man als präsynaptische Hem- mung.

• Einzelne afferente Zuflüsse zu einer Nervenzelle können gezielt gehemmt werden
• dient zur Empfindlichkeitsverstellung der afferenten Kanäle (also zur Unterdrückung "unerwünschter" Information und zur Auswahl "erwünschter" Information)

erg = ergon = "Arbeit", "Energie"

z.B. cholinerg, glutamaterg (Synapsen der jeweiligen Transmitter)

Nach der jeweiligen Substanz, die an ihr präsynaptisch freigesetzt wird

Da die im Neuron synthetisierten Substanzen relativ kleine Moleküle sind

• sind im Neuron selbst synthetisiert
• werden in den Vesikeln der präsynaptischen Endigung gespeichert
• werden beim Einlaufen eines Aktionspotenzials in den synaptischen Spalt freigesetzt
• werden durch Spaltung und/oder Wiederaufnahme in die präsynaptische Endigung (z. T. auch Aufnahme in das postsynaptische Neuron oder die umgebende Glia) spezifisch inaktiviert oder durch Wegdiffusion wirkungslos

• Transmitter verschiedener Synapsen im autonomen Nervensystem (ANS); z.B. aller sympathischen und parasympathischen Ganglien
• Transmitter von etwa 10% der Synapsen im ZNS
• Transmitter an den Endplatten des Skelettmuskels
• sowohl hemmender als auch erregender Natur (hemmende Wirkung des Vagusnerven auf das Herz)
• Inaktivierung von ACh erfolgt durch Cholinesterase (spaltet ACh in Cholin und Essigsäure)
• Die Spaltprodukte werden wieder in die präsynaptische Endigung aufgenommen und wieder zu ACh synthetisiert

"Biogene Amine" umfasst unter anderem:

- die drei Katecholamine Adrenalin, Noradrenalin, Dopamin (sind chemisch eng miteinander verbunden durch den gemeinsamen "Katecholring")

- Serotonin und Histamin (die gemeinsam mit den Katecholaminen zu den "Monoamine" gehören)

• Die Wirkung dieser Transmitter wird v.a. durch Wiederaufnahme in die präsynaptischen Endigungen beendet
• werden durch spezifische Monoaminoxidasen (MAO) abgebaut
  • {MAO-Hemmer werden klinisch z.B. zur Behandlung von Depressionen eingesetzt}

• Transmitter an allen postganglionären sympathischen Endigungen (außer bei den Schweißdrüsen-- dort ist es ACh)
• wird im Nebennierenmark abgesondert/ "sezerniert"
• wirkt (wie auch Dopamin) auch im ZNS (im Hypothalamus, im limbischen System, in den Kerngebieten der motorischen Basalganglien)

• wichtiger Transmitter, der zur Gruppe der Katecholamine gehört
• wird im Nebennierenmark sezerniert

• Dopamin: wirkt (wie Noradrenalin auch) im ZNS als Transmitter (im Hypothalamus, im limbischen System, in den Kerngebieten der motorischen Basalganglien)
• Serotonin: dient den vom Hirnstamm aufsteigenden Bahnen als Transmitter
• Histamin: Transmitter von hypothamalischen Neurone, deren Axone zur Großhirnrinde, zum Thalamus, zum Kleinhirn verlaufen

• der häufigste erregende Überträgerstoff/Transmitter im ZNS!

Die Aminosäure Glutamat

GABA (Gamma-amino-Buttersäure)