Biopsychologie I

Das vegetative Nervensystem ist Teil des Unbewussten. Im Zwischenhirn befindet sich der Thalamus, er ist der letzte Filter des Bewusstseins. Unterhalb (beim Hypothalamus) beginnt die Steuerung des Unterbwusstseins:

Peripheres Nervensystem -> Vegetatives Nervensystem (nicht bewusst steuerbar):

• Afferent (zum Gehirn von Organen und Drüsen)
• Efferent (zu den Organen und Drüsen vom Gehirn):
  • Sympathikus: fight or flight (aktivierend)
  • Parasympathikus: rest and digest (hemmend)
• Darmnervensystem (Spezialfall)

• Homöostase: Konstanthaltung des inneren Systems (stabile Bedingungen)
• Unwillkürliche Kontrolle der lebenswichtigen Funktionen (Kreislauf, Atmung, Verdauung, Entleerung, Stoffwechsel, Körpertemperatur, Fortpflanzung, Sekretion, Pupillenweite)

Viele Organe werden primär durch den sympathischen oder parasympathischen Abschnitt des Nervensystems gesteuert. In einigen Fällen haben die zwei Abschnitte gegensätzliche Wirkung auf ein Organ. Eine vegetative Nervenbahn besteht aus zwei Nervenzellen. Eine Zelle ist im Hirnstamm oder im Rückenmark angesiedelt. Sie ist mit der anderen Zelle, die in einem Nervenzellhaufen angesiedelt ist (genannt autonomes Ganglion), durch Nervenfasern verbunden. Die von diesen Ganglien ausgehenden Nervenfasern sind mit den inneren Organen verbunden. Die meisten Ganglien des sympathischen Abschnitts sind direkt außerhalb des Rückenmarks beidseitig angesiedelt. Die Ganglien des parasympathischen Abschnitts sind in der Nähe oder innerhalb der Organe angesiedelt, mit denen sie verbunden sind. 

Beide Rücklaufprozesse (hormonell und elektrisch) können icht unabhängig voneinander laufen, es sind immer beide Systeme aktiv:

• Efferenz 1: Nerv über Hirnstammkerne
• Efferenz 2: Hormone über Hyptohalamus und Hormondrüse (Weg ohne Nervenzellen)

Beide Systeme haben die gleichen Effektororgane, anatomisch liegen sie allerdings auseinander (gleiches Ziel anderer Ursprung):

• Sympathikus: Zellkerne liegen im Brustmark, kurze erste Nervenbahn bis zur Synapse, lange zweite Nervenbahn zum Effektororgan (1x Neurotransmitter Acetylcholin nikotinerger Rezeptor, 1x Neurotransmitter Noradrenalin, nikotinerger Rezeptor). 
• Parasympathikus: Zellkerne liegen in Hirnsamm, lange erste Nervenbahn bis zur Synapse, kurze zweite Nervenbahn zum Effektororgan (2x Neurotransmitter Acetylcholin, beim 2. Mal muskarinerger Rezeptor -> hemmend)

Sympatische und parasympathische Nervenfasern beeinflussen einander wechselseitig. Teil auf präsynaptischer Ebene (gegenseitige Hemmung axon-axonal) und teils auf postsynaptischer Ebene (Acetylcholin hemmt über G-Proteine die Wirkung der Adenylcyclase).

Die sogenannten Varikositäten sind Kontaktstellen zwischen Nervenfaser und Zielgewebe (nur im vegetativen Nervensystem). Sie sind perlschnurartig aneinandergereiht und besitzen keine Myelinscheide. Die synaptischen Bläschen (an Dendriten und Synapsen) entleeren sich in das umliegende Gewebe und damit in die Nähe ihrer Zielzellen (keine 1:1 Innervierung wie bei bewusstem NS). Die Transmitter werden also über eine grössere Fläche gleichzeitig ausgeschüttet und breiten sich anschliessend wie ein Domino über die glatte Muskulatur aus. 

Das Darmgehirn erstreckt sich als komplexes Netzwerk von der Speiseröhre bis zum Darmausgang. Es umgibt den Darm wie ein Netz und ist ein elektrisches System aus ca. 100 Millionen Neuronen. Es hat einen hohen Grad an Autonomie, hat das gleiche Volumen wie das Gehrin und wird durch Efferenzen des vegetativen Nervensystems moduliert, um die Sitzation des gesamten Organismus zu berücksichtigen. Das Darmnervensystem versorgt unser Gehirn ständig über den Verdauungszustand und hat somit Einfluss auf Appetit, Energiehaushalt, Emotionen, Stress, Gedächtnis und Schmerz.

Ablauf mit negativem Rückkopplungsmechanismus

3. Instanz: 

• ZNS gibt einen aktivierenden oder hemmenden Befehl (elektrisches Signal)
• Hypothalamus reagiert und bildet aktivierendes oder hemmendes Vorstufenhormon

2. Instanz:

• Hypophyse empfängt Vorstufenhormon und produziert entweder ein Hormon (Vorderlappen) schüttet die empfangenen Hormone aus (Hinterlappen -> keine eigene Hormonproduktion)

1. Instanz: 

• Hormondrüse setzt das Hormon frei.
• Hormon führt die Signalübertragung zum Effektor-Organ aus.
• Effektor: Wirkung im Organ findet statt und es gibt eine Feedbackschleife (Rückoppelung) zurück zur Hormondrüse, Hypophyse und zum Hypothalamus. Abbremsung des Prozesses/Wiederherstellung des Gleichgewichts.

Unbewusster Prozess parallel zum elektrischen vegetativen Nervensystem. Der Hypothalamus ist die höchste Steuereinheit des Unbewussten inm Gehirn. Er sorgt für die Integration vegetativer, somatischer und hormoneller Funktionen (Sicherungskasten). Der Hypothalamus besitzt eine komlexe Struktur aus vielen Untereinheiten (Kernen). 

Funktionen Input: 

• Aufrechterhaltung Homöostase
• REgulation Nahrung und Wasser
• REgulation circadianer Rhythmus und Schlaf
• Steuerung Fortpflanzung

Funktionen Output: 

• Freisetzung von releasing/inhibiting Hormonen
• Neuronale Rückkoppelung ins Grosshirn und Hirnstamm

Die Hypophyse ist die Hirnanhangsdrüse. Sie setzt Hormone und Hormonvorstufen in den Körper frei.

Ein Hormon ist ein biochemisches Molekül, das aus spezialisierten Drüsen abgegeben und über das Blut transportiert wird (Weg ohne Nervenzellen). Seine spezifische Wirkung erfolgt über Rezeptoren an der Zelloberfläche und anschliessender Wirkung innerhalb der Zelle. Seine Regulation funktioniert über Rückkoppelung. Meist handelt es sich dabei um langsame, langanhaltende Prozesse (im Gegensatz zu elektrischer Signalweiterleitung, weil wenig Energie verbraucht wird). 

Arten der Hormonabgabe: 

• Endokrin: Signalübertragung über Blutbahn (klassischer Weg)
• Neuroendokrin: Signalübertragung über Blutbahn in Gehirn -> Blut-Hirn-Schranke
• Autokrin: Signalübertragung auf sekretabsondernde Zelle selbst (Autorezeptoren)
• Parakrin: Signalübertragung auf Nachbarzellen (z.B. bei Entzündungsreaktion)

HOrmone spielen eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der inneren Stabilität. Die komplexen Wechselwirkungen der Hormone sorgen dafür, dass der Körper auf interne und externe Vränderungen reagieren kann. 

Überleben des Individuums:

• WAsser- udn Salzhaushalt
• Energiestoffwechsel
• Wachstum
• Temperatur
• Stressregulierung

Überleben der Art:

• Fortpflanzung
• Geburt und Stillen
• Soziale Bindungen

• Glanduläre Hormone (kommen aus Drüsen):
• Extraglanduläre Hormone ("extra" = ausserhalb, werden im gewebe freigesetzt)

• Hypophyse
• Schilddrüse
• Nebennierenmark
• Nebennierenrinde
• Bauchspeicheldrüse
• Hoden

Die Chemie bestimmt den Signalort von Hormonen:

• Peptidhormone (häufigste Gruppe): wasserlöslich, schnelle Zersetzung und kurze Wirkung, benötigen keine Transporthilfe im Blut, brauchen Rezeptor, um in Zelle zu gelangen
• Aminosäuren: wasserlöslich, schnelle Zersetzung und kurze Wirkung, benötigen keine Transporthilfe im Blut, brauchen Rezeptor, um in Zelle zu gelangen
• Fettsäuren: fettlöslich, langsame Zersetzung und lange Wirkung, benötigen Transporthilfe im Blut, können frei in Zelle gelangen
• Steroidhormone: fettlöslich, langsame Zersetzung und lange Wirkung, benötigen Transporthilfe im Blut, können frei in Zelle gelangen

"Glando" = Ursprung in Drüsen. 

• Schilddrüsenhormone (T3 und T4)
• Somatotropin
• Steroidhormone
• Peptidhormon Oxytocin

Die beiden Schilddrüsenhormone TRH und TSH sind fettlöslich und binden an Zellkerne. Dort lösen sie die Proteinbiosynthese aus. Die Schilddrüse ihrerseits benötigt Jod um ausreichend Hormone zu bilden. Die Steuerung der Schilddrüse geschieht über das Hypothalamus-Hypophysen-System (HPA-Achse). 

Funktionsstörung der Schilddrüse:

• Hyperthyreose: zu viele Schilddrüsenhormone -> gesteigerte Erregbarkeit, Erhöhung Herzfrequenz, Abahme Körperfett, Verwirrtheit
• Hypothyreose: zu wenig Schilddrüsenhormone -> Antriebsschwäche, Reduzierter Grundumsatz, erhöhtes Körpergewicht, depressives Zustandsbild. Bei Kindern: Zwergwuchs, Retardierung

Somatotropin, auch bekannt als Wachstumshormon, wird in der Hypophyse produziert. Seine Ausschüttung geschieht Schubweise (Pubertät 10-20 Mal am Tag) und es hat Wirkung auf WAchstum von Muskeln und Knochen. Die Ausschüttung von Somatotropin regt die Eiweissbiosynthese an. 

Nachteil:

• Überschuss kann Tumore verursachen oder gesteigertes WAchstum von inneren Organen

Vorteil:

• Neuroprotektive Funktionen (SChutz vor Schädigung oder Tod von Neuronen)

Steroidhormone wirken als Signalmoleküle. Sie durchdringen Zellmembran (fettlöslich) und binden an spezifische Rezeptoren im Zellinnern. Cholesterin spielt eine zentrale Rolle in der Syntehese von Steroidhormonen (Vorläufer/Ausgangsstoff). Cholesterin ist eine wachsartige, fettähnliche Stubstanz, die in jeder Zelle des Körpers vorkommt und im Blut zirkuliert. Es kann durch die Nahrung aufgenommen oder in der Leber synthetisiert werden. 

Verschiedene Steroidhormone:

• Glukokortikoide: Stressreaktion
• Mineralkortikoide: Kontrolle des Salz-und Wasserhaushalts
• Östrogene: weibliche Geschlechtshormone
• Gestagene: Schwangerschaft

Cortisol ist das bekannteste Glukokortikoid. Unser Körper produziert Cortisol in STresssituationen. Cortisol mobilisiert Energiequellen und dämpft Entzündungen. Ablauf im Körper:

• ZNS gibt aktivierenden Befehl
• Hypothalamus: Bildet aktivierendes Vorstufenhormon ACTH
• Hypophyse: Vorderlappen steuert Nebenniere
• Nebenniere (Hormondrüse): SEtt zwei Hormone frei: Rinde -> Cortisol, Mark ->Adrenalin
• Hormon: Signalübertragung 
• Effektor: Wirkung

Eine chronische Erhöhgung von Cortisol führt zum SChrumpfen des Hippocampus -> Störung des Gedächtnisses

Oxytocin ist ein Peptidhormon und hat im Körper verschiedene Wirkungen:

• Sexualität: Bei Orgasmus ausgeschüttet
• Geburt: Kontraktion Gebärmutter und Milcheinschuss
• Wohlbefinden: senkt Blutdruck
• Paarinteraktion: Steigerung des sozialen Bindungsverhalten

Muskeln können nicht durch Streckung Kraft aktiviern, nur durch Zusammenziehen aufgrund eines elektrischen Impuls. Jeder Muskel hat zwei Systeme: einen Agonisten udn einen Antagonisten. Immer, wenn ein Muskel angespannt wird, werden die Neurone des Gegenspielers gehemmt. 

Drei Typen von Muskeln: 

• Skelettmuskulatur
• glatte Muskulatur
• Herzmuskulatur

Die Skelettmuskulatur wird auch quergestreifte Muskulatur genannt. Sie ist die Muskulatur des Bewegungsapparates. 

Vorteil: Viel Kraft in kurzer Zeit, langsame Erholung

Die kleinste Einheit der Muskeln ist die Muskelfaser. Sie ist ein kontaktiles Element (kann sich zusammenziehen). Die einzelnen Fasern bilden Faserbündel. Die Bewegung des Muskels entsteht durch Verkürzung der Muskelfasern. Der Mensch bestitzt 656 quergestreifte Muskeln. 

Hierarchie von Muskeln: Muskel -> Muskelbündel -> Muskelfaser -> Aktin- und Myosinfilamente 

1. Ruhezustand (Muskel ist entspannt)

• Aktin ist von einem Protein umschlungen und verdeckt so die Myosin-Bindestelle.
• Der Myosinkopf hat ATP gebunden und befindet sich im 90 Grad Winkel zum Aktinfilament. 

2. Aktivierung

• Der Reiz trifft auf den Muskel und führt zur Ausschüttung von Kalzium (Ca 2+) Ionen.
• Das Kalzium aktiviert die Enzymaktivität von Myosin, dadurch wird ATP gespalten. Das Myosin speichert die freigewordene Energie und ist in einem gespannten Zustand. 
• Ca 2+ Ionen binden ausserdem an das Protein, das das Aktin umgibt und geben die Myosin-Bindestelel frei. 

3. Querbrückenbinldung und Kontraktion

• Myosin kann an Aktin binden und bildet eine Querverbindung (hält einige Sekunden an).
• Myosinkopf gibt nacheinander P und ADP ab und setzt Energie frei. Das führt zu einem Abkippen des Myosinkopfs um ca. 45 Grad nach Innen (Konformationsänderung). 
• Myosin zieht die Aktinfilamente in Richtung Mitte und der Muskel spannt sich somit an (er kontrahiert). 

4. Rückkehr in Ausgangszustand

• Neues ATP lagert sich an Myosinkopf an. Dadurch lösen sich Myosin und Aktin voneinander und die Ruheposition ist wieder erreicht.

Die glatte Muskulatur ist die Muskulatur der inneren Organe udn Gefässe. 

Vorteil: langanhaltende Kontraktionen, schnelle Erholung

Sie verändert sich weniger in der Länge als die Quergestreifte und besteht aus kurzen, spindelfömigen, eng verwobenen Fasern. Die einzlenen Muskelzellen sind durch elektrische Synapsen verbunden. Somit findet ein direkter Ionen-Austausch statt. Dies führt zu einer Synchronisation von Zellen mit identischer Funktion. Somit zieht sich die gesamte Muskelzelle stellenweise zusammen. Grössere Einheiten von Zellen kontrahieren gleichzeitig. 

1. Eigenrhythmizität: Fähigkeit zur autonomen Aktivität (myogener Tonus). SChirttmacherzellen depolarisieren spontan und die Erregung breitet sich über gap junctions im Verband von Muskelzellen aus (Leckströme). Dieser Tonus entsteht in den Muskelzellen selbst, unabhängig vom Nervensystem, und ist durch die Eigenschaften und internen Mechanismen der Muskelzellen bestimmt.
2. Reflektorische Tonuserhöhung: Eine reflektorische Tonuserhöhung ist ein schneller, automatischer Anstieg der Muskelspannung als Reaktion auf einen äußeren Reiz, der über Reflexbögen im Nervensystem vermittelt wird. Der Grund dafür ist ein Typ von Ionenkanal, der sich durch mechanische Dehnung öffnet und damit eine Depolarisation induziert (z.B. in kleinen Blutgefässen).
3. Neurogener Tonus: Vor allem kleine glatte Muskeln werden vom vegetativen Nervensystem (Sympathikus und Parasympathikus) gesteuert. Dieser Tonus entsteht durch die Einflüsse des Nervensystems, das über motorische Neuronen die Muskelspannung reguliert und anpasst.

Vorteil: langsame Kontraktion, langsame Erholung

Neuron + alle von ihm innervierten Muskelfasern

Jede Skelettmuskel-Faser wird von nur einem Alpha-Motoneuron innerviert. Aber ein Neuron kann mehrere 1000 Muskelfasern innervieren (versorgen). Das ist abhängig von der Präzision, die der Muskel ausführen muss. Beim Auge ist es eine 1:1 Innervierung. Alpha-Motoneuronen haben entweder: 

• Zellkörper in Hirnnerven (ZNS, efferent)
• Zellkörper im Vorderhorn des Rückenmarks (ZNS, efferent)

Jedes Alpha-Motoneuron hat:

• mehrere synaptische Eingänge
• motorische Zentren
• sensorische Neuronen aus dem Bewegungsapparat
• Interneuronen im Rückenmark
• hemmende, erregende, präsynaptische Endigung (als Transmitter fugieren hierbei Acetylcholin und ein nikotinerger Rezeptor)

Die Kraft eines Muskels hängt davon ab, wie viele der Muskelfasern gleichzeitig aktiviert werden.

Wenn ein Motoneuron feuert, führt das zu Aktionspotentialen in den Muskelfasern. Dabei strömt Kalzium ein udn es kommt zu einer Kontraktion der gesamten Faser. Die Stärke der Kontraktion hängt von der Anzahl gleichzeitig feurenden Motoneuronen ab. Die Anfangsbeschleunigung, GEschwindigkeit und Präzision einer Bewegung hängen von der Anzahl aktiver Neuronen und Sequenz ihres Feuerns ab. Meistens kontrahiert nur ein Teil der Muskelfasern in einem Muskel.

Afferenzen aus dem Muskel: 

Aktivität des Muskels wird durch Sinneszellen im Muskel und an den Sehnen an das ZNS zurückgemeldet. 

1. Messfühler: Dehnungsmesser -> Muskelspindeln; kleine, neuronale Elemente, die umgeben sind von aufgewickelten Nervenfasern, Muskelspindeln bestehen aus bis zu 10 quergestreiften Muskelfasern. Afferente Nervenfasern umweikeln Muskelspindeln und lösen bei Dehnung der Spindel ein sensorisches Signal aus. Die Dehnung geschieht passiv oder durch Kontraktion eines entgegenwirkenden muskels. 
2. Messfühler: Spannungsmesser -> Golgi-Sehnenorgane im Bereich der Sehnen (Sinneszelen an Muskelsehnen oder am Übergang zw. Muskel und Sehne). Sie sind wichtig für das Auslösen von Reflexen. 

Hierbei kommt die motorische Antwort nicht vom Gehirn:

• Reflex: unwillkürliche, immer gleich ablaufende Antwort eines Organs
• Reflexbogen: Prozess-Kette aus sensorischem Neuron, evtl. Interneuron, Motoneuron und Muskel

Besonderheit: kein Interneuron ist dazwischengeschaltet

Bei einem Eigenreflex erfolgen Reiz und Antwort im selben Organ. Z.B. Kniesehnenreflex. Das geschieht monosynaptisch (nur 1 Umschaltung von afferent zu efferent). Wir haben kaum kognitive Kontrolle darüber. 

Vorteil: kurze Reflexzeit (ca. 10ms) und kaum Ermüdung.

Besonderheit: ein Interneuron ist dazwischengeschaltet

Bei einem Fremdreflex erfolgen Reiz und Antwort nicht im selben Organ. Z.B. Flucht- und Schutzreflexe). Das geschieht polysynaptisch (hemmende oder aktivierende Interneuronen dazwischengeschaltet). Die Aktivations- und Inhibitionsimpulse werden aus dem für die jeweiligen Muskeln zuständigen Rückenmarkssegment gesteuert. Wir haben eine stärkere kognitive Kontrolle über Fremdrefelxe, da höhere Zentren gleichzeitig die Aktivität der spinalen Nerven modulieren und so der Bewegungsablauf angehalten werden kann. 

Vorteil: lange Reflexzeit (ca. 50-150 ms) und grosse Ermüdung.

Auf Ebene des Rückenmarks gibt es zwei verschiedene Hemmungsmechanismen: 

1. Reziproke Hemmung (wechselseitig/gegenseitig): Prinzip erklärt, warum zwei Gegenspieler-Muskeln nie gleichzeitig aktiv sein können. Bei Kontraktion einer Muskelgruppe wird Antagonist gehemmt. An verschiedenen Synapsen werden gleichzeitig Befehle verarbeitet. Die Befehle kommen aus der Effektorzelle oder dem ZNS.
2. Rückwärtshemmung: Zweck der Begrenzung des Erregungsstroms vom Motoneuron zur Muskelzelle. Spezfische Zellformen, die dafür sorgen, dass siech eine Bewegung ständig anpasst (Fliessgleichgewicht). Diese Zellen heissen Renshaw-Zellen. Sie bilden einen hemmenden Kontakt auf die hemmenden Interneuronen, die den Antagonisten drosseln. Wenn ein Muskel aktiviert wird, wird also gleichzeitig schon die hemmung des Muskels aktiviert und der Gegenspieler aktiviert. Dystonien und Hypertonien sind zwei Beispiele für Störungen, die entstehen, wenn die Modulation der Muskelaktivität durch das ZNS beeinträchtigt ist (z.B. Tetanus hemmt die Renshaw-Zellen, so verlieren wir Kontrolle über Gleichgewicht zwischen Agonist und Antagonist).

Das motorische System ist nicht rein auf die motorischen Kortexe beschränkt. ES ist immer ein System zwischen Planung, Ausbung und Kontrolle (sensorische Feedbackschleife): Der motorische und der sensorische Kortex müssen usammenspielen, damit Bewegungen generiert werden. 

Frontallappen: Motorische Kortizes

Parietallappen: Sensorische Kortizes

• Posterior-parietaler, prämotorischer und supplementär-motorischer Kotex (Frontal- & Parietallappen): Planung
• Motorkortex (M1 Areal im Frontallappen): gibt Impuls
• Pyramidenbahn zum Hirnstamm
• Rückenmark: Umschaltzung zwischen den zentralen und peripheren Neuronen über Interneuronen
• Periphere Nerven (Alpha-Motoneuronen): Ausschüttung Neurotransmitter
• Kontrakton des Muskels
• Parallel zu diesem Prozess sind das Kleinhirn und die Basalganglien eingebunden: Feinmotorik und Koordination