Biopsychologie - Anatomie des Nervensystems, Nervenleitung und synaptische Übertragung

• Drei Achsen beim Nervensystem von Wirbeltieren:

  • anterior (Nase) – posterior (Schwanz)

  • dorsal (Rücken) – ventral (Brustkorb)

  • medial (zur Mittellinie des Körpers hin) – lateral (in Richtung der seitlichen Körperfläche)

• Problem: Wir gehen aufrecht! => z.B. dorsal ist Rücken und Kopfoberseite

• Bei Menschen:

  • superior (höher im Kopf) – inferior (weiter unten im Kopf)

  • anterior / rostral (zur Stirn hin) – posterior / kaudal (zum Hinterkopf hin)

• Proximal (nah) – distal (entfernt) (meistens auf Bereiche des PNS und deren Lage relativ zum ZNS bezogen)

• Schnitte:

  • Horizontal, frontal, sagittal

  • Zwischen beiden Hemisphären: Medianschnitt/Mediansagittalschnitt

  • Querschnitt = Schnitt im rechten Winkel an einer langen, schmalen Struktur (z.B. Rückenmark)

5 Hirnabschnitte:

•  Myelencephalon/Medulla oblongata
•  Metencephalon
•  Mesencephalon
•  Diencephalon
• Telencephalon

Stammhirn:  1. – 4.

Hirnstamm:  1. – 3.

• am weitesten caudal gelegener Teil des ZNS
• enthält sensorische Information aus Haut, Gelenken, Muskeln des Rumpfes und der Gliedmaßen
• Motoneurone sind zuständig für Willkürmotorik & Reflexbewegungen
• empfängt Information aus den inneren Organen
• Neurone mit Beteiligung an der Kontrolle vegetativer Funktionen
• aufsteigende Bahnen: sensorische Info
• absteigende Bahnen: motorische Verschaltung

• bestehend aus Medulla Oblongata, Pons und Mesencephalon (Mittelhirn)
• vermittelt Info vom Rückenmark zum Gehirn & vice versa
• auf-&absteigende Bahnen
• über Formatio Reticularis Regulation des Wach-Schlaf-Rhytmus
• Medulla oblongata & Pons sind zusammen an Regulation von Blutdruck und Atmung beteiligt

Pons

• liegt rostral zur Medulla Oblongata
• große Neuronenanzahl zur Verschaltung von Informationen aus Hirnhälften auf Kleinhirn

Cerebellum (Kleinhirn):

• dorsal zu Medulla und Pons
• sensorische Info aus Rückenmark
• motorische aus Großhirnrinde
• weitere aus Vestibulärorganen
• Stützmotorik, Augenbewegung, Sensorik, Durchführung Zielmotorik
• Diverse kognitive Funktionen

+ Teile der Formatio Reticularis!!!

bestehend aus

• Tectum
  • Colliculus inferior: auditorische Funktion
  • Colliculus superior: visuelle Funktion

• Tegmentum
  • Substantia Nigra+Nucleus Ruber: sensomotorische Funktion
  • Formatio Reticularis
  • Periaquaeductales Grau: Vermittlung der analgetischen (schmerz-reduzierenden) Wirkung von Opiaten

• Corpus geniculatum laterale & mediale, Adhesio interthalamica, Nucleus ventralis posterior
• „Tor zum Kortex“ (viele Kerne, die zum Kortex projizieren)
• Steuerung von Aufmerksamkeit & Aktivität des Großhirns
• Motorische Aufmerksamkeit und Planung
•  Verarbeitung sensorischer Signale

Hypothalamus

• steuert autonomes Nervnsystem
• Antrieb und Emotion
• Analyse Ist- und Sollwerte verschiedener homöostatischer Triebe
• Steuert Hormonhaushalt -> Hypophyse (Hirnanhangdrüse), Mammilarkörper
• Motorik

besteht aus Limbischem System, Cerebralem Cortex und Basalganglien

• Vier Lappen
  •  Frontal-, Parietal-, Temporal-, Occipitallappen
• tief gefurcht -> größere Oberfläche

• große Furchen = Fissurae (Sg. Fissura)

  • Fissura longitudinalis cerebri (Längsfurche) trennt die Hemisphären fast vollständig

  • Cerebrale Commissuren = Faserzüge, die die Hirnhälften verbinden (am größten: Corpus callosum)

• kleine Furchen = Sulci (Sg. Sulcus);

  • Sulcus Centralis (Zentralfurche) und Sulcus Lateralis (Sylvische Furche) unterteilen jede Hemisphäre in vier Lappen: Frontallappen, Parietallappen, Temporallappen, Occipitallappen

• Größte Gyri (Erhebungen):

  • Gyrus precentralis (Motorik)

  • Gyrus postcentralis (Somatosensorik)

  • Gyrus temporalis superior (Hören)

Neocortex

• besteht aus sechs Schichten(von außen nach innen von I bis VI durchnummeriert) Die Schichtendicke unterscheiden sich in verschiedenen Gehirnbereichen.
• Viele Axone und Dendriten im Neokortex => Säulen- bzw. Kolumnenorganisation

Hippocampus („Seepferdchen“):

• drei Schichten, kein Teil des Neokortex,
• Vergleich ankommender und gespeicherter Information
• genauere sensorische Analyse, Erinnerungsleistung, Orientierung

Limbisches System

• Aufgabe: Beteiligung an der Steuerung aller Denkprozesse und Verhaltensweisen; Regulation motivationaler Verhaltensweisen (im Englischen die 4 F's: fighting, fleeing, feeding, and sexual behavior)

• Hauptstrukturen (Abb. 3.28): Amygdala, Hippocampus und Gyrus Cinguli

• Erweitertes limbisches System: Teile des Thalamus und des Hypothalamus

• Hippocampus: u.a. Vergleich ankommender und gespeicherter Information

Basalganglien

• Hauptstrukturen: Amygdala (gehört auch hierzu!), Nucleus Caudatus (kreisförmig), Putamen (in der Mitte des Kreises), Globus pallidus.

• Nucleus Caudatus+ Putamen = Corpus striatum

• Subkortikales Bindeglied zwischen assoziativer Großhirnrinde + motorischen Kortex

• Steuerung von Bewusstsein + Aufmerksamkeit

• Wichtig für  Ausführen willkürlicher Bewegungen

• Parkinson: Bahn von der Substantia Nigra des Mittelhirns zum Striatum ist geschädigt .

• Zellmembran der Neuronen besteht aus einer Lipid-Doppelschicht. enthält:

  • Kanalproteine (können bestimmte Moleküle passieren lassen) 

  •  Signalproteine (signalisieren, wenn ein bestimmter Stoff außerhalb der Membran an sie bindet). 

• Neuronenklassen:

  • Multipolare Neuronen haben mehrere Fortsätze am Zellkörper.

  • Bipolar: zwei Fortsätze

  • Unipolar: ein Fortsatz

  • Interneurone haben keine (oder sehr kurze) Axone; integrieren Signale innerhalb einer Struktur.

• Zehnmal mehr als Neuronen

• Versorger der Neuronen,auch an Übertragung von Signalen beteiligt und bilden Schaltkreise.

Vier Arten:

• Oligodendrocyten (im ZNS): Bilden mehrere Fortsätze, die sich um (mehrere) Neurone des zentralen Nervensystems wickeln.Fortsätze enthalten Myelin, erhöhen Geschwindigkeit und Effizienz der neuronalen Leitung. 

• Schwann-Zellen: Ähnliche Funktion wie Oligodendrocyten, aber im PNS; immer nur ein Myelinsegemt, dafür fähig zur axonalen Regeneration

• Astrocyten: spielen teilweise eine Rolle bei der Passage chemischer Verbindungen vom Blut in die ZNS-Neuronen, ummanteln Blutgefäße im Gehirn, senden Signale an Neurone und Umgebung.

• Mikroglia: entfernen tote Neurone, lösen Entzündungsprozesse aus.

• Na+, K+, Cl--  & neg. geladene Proteinionen
• Na+& Cl-- mehr extracellulär
• K+ mehr intracellulär

• Brownsche Molekularbewegung: Diffusionsdruck; Konzentrationsgradienten hinunter
• Elektrostatische Kraft: Abstoßen gleicher, Anziehen unterschiedlicher Ladung

• Selektive Permeabilität: K+& Cl-- passieren Zellmembran leicht, Na+ schwer, neg. Proteinionen gar nicht
• Natrium-Kalium-Pumpe: 3 Na+ Ionen raus, 2 K+Ionen rein

• Erhöhung der Leitfähigkeit für Na⁺-Ionen
• Na⁺ strömt ein - Potentialdifferenz wird positiv
• Rasche Abnahme der Leitfähigkeit, Na⁺-Kanäle schließen sich

• Erhöhung der Leitfähigkeit für K⁺-Ionen
• K⁺ strömt aus – Potentialdifferenz wird negativer

Hyperpolarisation:

• K⁺-Kanäle schließen sich leicht verzögert, Potential negativer als Ruhepotential für kurze Zeit

• „Alles oder Nichts Reaktion“
• Langsam, da aktive Weiterleitung
• Erhöhung der Geschwindigkeit durch:
  • Dickere Axone (=weniger Widerstand)
  • Myelinisierung ->  saltatorische Erregungsleitung
• Weiterleitung ohne Signalabschwächung

Refraktärzeiten

Zeit, in der ein aktivierbarer Zustand wieder erreicht wird=> Begrenzung der maximalen Impulsfrequenz

• Absolute Refraktärzeit nach dem Aktionspotential: neues Aktionspotential nicht möglich (1-2 ms)

• Relative Refraktärzeit: Neuron muss stärker gereizt werden, um zu feuern.

• Aktionspotentiale breiten sich nur in eine Richtung entlang des Axons aus, da die Abschnitte hinter ihnen vorübergehend refraktär sind.

• Zusammenhang zwischen Entladungsrate und Stimulusintensität, Bis zu 1000/sec

Neuron feuert -> AP -> Freisetzung von Neurotransmittern am Endknöpfchen -> Diffundierung durch synaptischen Spalt -> Interaktion mit Rezeptor des nachgeschalteten Neuron. Wirkungen:

Exzitatorisch: 

• postsynaptische Membran wird depolarisiert, z.B. von -70 mV auf -67 mV (exzitatorische postsynaptische Potentiale = EPSPs)

Inhibitorisch:

• postsynaptische Membran wird hyperpolarisiert (IPSPs) 

PSP erfolgen

• Graduell, Amplituden proportional zur Intensität der Signale (nimmt bei Übertragung ab)
• Ohne Verzögerung (da passiv)
• Räumliche & zeitliche Summation am Axonhügel des nachgeschalteten Neurons

• Wird die Membran bis zur Erregungsschwelle (ca. 65 mV) depolarisiert, wird im Axon nahe des Axonhügels ein Aktionspotential generiert.

siehe Bild

siehe Bild

• Neurotransmitter werden in de Endknöpfchen üner Enzyme synthetisiert und in Vesikeln gespeichert, sind Vesikel "undicht", werden sie wieder von anderen Enzymen abgebaut
• Bei Ankunft eines Aktionspotentials verschmelzen die Vesikel mit der präsynaptischem Membran und setzen die Neurotransmitter in den Synaptischen Spalt frei
• Neurotransmitter binden dann
  • an Rezeptoren der postsynaptischen Membran -> Öffnung von Ionenkanälen -> Depolarisation des postsynaptischen Neurons
  • an Autorezeptoren der präsynaptischen Membran (negative Rückkopplung verhindert überzogene Ausschüttung)
• freigesetzte  Transmitter werden aus dem Spalt entfernt durch
  • enzymatischen Abbau
  • Wiederaufnahme in das präsynaptische Endknöpfchen

• an ligandengesteuerte Ionenkanäle gekoppelt
• Jeder Rezeptor reagiert nur auf einen bestimmten Neurotransmitter =Ligand
• unmittelbare AP-Induktion

• häufiger
• an Signalproteine gekoppelt, an denen wiederum ein G-Protein hängt
• Effekte sind langsamer und tiefgreifender, halten länger an, sind diffuser und variieren mehr.
• Neurotransmitter bindet an Rezeptor => Untereinheit des G-Proteins spaltet sich ab 
  •  ENTWEDER bindet sie an einen Ionenkanal
  • ODER ein sekundärer Botenstoff wird synthetisiert

• sind eine Art metabotroper Rezeptoren.

• befinden sich auf der präsynaptischen Membran.

• binden an die Neurotransmitter des eigenen Neurons.

• überwachen und regulieren die Zahl der Transmittermoleküle in synaptischen Spalt.

Niedermolekular

• Aminosäuren
  • Glutamat: Häufigster exzitatorischer NT im ZNS
  • Aspartat
  • Glycin
  • Gamma-Amino-Buttersäure (GABA): Häufigster inhibitorischer NT im ZNS

• Monoamine
  • Diffuse Wirkung, Freisetzung über Varikositäten
  • Catecholamine
    • Synthese aus Tyrosin
    • Dopamin, Adrenalin (Epinephrin), Noradrenalin (Norepinephrin)
  • Indolamine
    • Synthese aus Tryptophan, zB Serotonin
• Lösliche Gase
  • Stickstoffmonoxid & Kohlenmonoxid
  • Dringen leicht durch Zellmembran
  • Stimulieren Produktion sekundärer  Botenstoffe
  • Existieren nur für wenige Sekunden
  • An retrograder Transmission (Feedback) beteiligt
• Acetylcholin (ACT)
  • Neurotransmitter für neuromuskulärer Synapsen, Synapsen im ZNS & ANS  

Hochmolekular

• Neuropeptide
  • Bsp Endorphine:
    • Endogene Opiate
    • Vermittlung an analgetischen Mechanismen & Freude

Zwei mögliche Effekte von Psychopharmaka:

• Effekt eines bestimmten Neurotransmitters wird verstärkt (Agonist) ->A

• Effekt wird gehemmt (Antagonist) -> B

1. Synthese

• A: Förderung der Synthese, z.B. durch Erhöhung der Anzahl der Vorläufermoleküle
• B: Blockieren des Synthese (z.B. Zerstörung der Enzyme)

2. Speicherung in Vesikeln

3. Abbau der Transmitter, die aus undichten Vesikeln entweichen

• A: Zerstörung abbauender Enzyme
• B: Entweichen wird gefördert

4. AP -> Exozytose

• A: Erhöhung der Freisetzung
• B: Hemmung der Freisetzung

5. Hemmung weiterer Neurotransmitterfreisetzung über Autorezeptoren

• A: Blockieren der Autorezeptoren
• B: Blockieren der Autorezeptoren

6. Aktivierung postsynaptischer Rezeptoren

• A: Aktivierung der Rezeptoren oder Verstärkung der Neurotransmitterwirkung
• B: Blockieren der Rezeptoren & des Effekts des Neurotransmitters

7. Deaktivierung

• A: Blockieren von Abbau oder Wiederaufnahme

= Enge Räume zwischen benachbarten Neuronen, die durch Cytoplasma-gefüllte dünne Kanäle verbunden sind = „elektrische Synapsen“

•  elektrische Signale können leicht von einem Neuron zum nächsten wandern

• grundlegendes Merkmal lokaler neuronaler hemmender Schaltkreise

• sehr schnell

• Astrocyten kommunizieren über Gap Junctions mit Neuronen und anderen Zellen

beobachtbar durch Veränderung von..

• Rezeptordichte

• Synapsenzahl

• Reaktion der Rezeptoren auf Transmitter