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Biologische Psychologie VL2: Das menschliche Hirn & Membranpotentiale …
Biologische Psychologie VL2: Das menschliche Hirn & Membranpotentiale
Das menschliche Hirn
Kriterien für neuronale Leistungsfähigkeit
Absolute Größe des Gehirns
Relative Größe des Gehirns (Hirngewicht/Körpergewicht)
Neuronendichte
Das menschliche Hirn hat eine extreme Neuronendichte, insbesondere im Großhirn (Denken, Rechnen, Emotionskontrolle, ...)
Vorhandensein von Nervenzellen
Primaten (affenartige Tiere & Menschen) haben eine höhere Neuronendichte als alle anderen Säugetiere
Neuronengröße bei Primaten speziesübergreifend identisch / Neuronengröße steigt bei anderen Säugetieren proportional zur Körpergröße
Mensch hat im Vergleich zu anderen Primaten relativ mehr Neuronen
Primaten können durch Rohkost nicht so viele energieintensive Nervenzellen unterhalten (cost of body + cost of brain > energy intake)
Durch die Entdeckung des Feuers kann der Mensch trotz großen Körpers ein großes Hirn mit vielen Neuronen unterhalten
Gehirngröße ist mit Entdeckung des Feuers gewachsen
Potentiale
= Elektrischer Ladungsunterschied zwischen Orten (z.B. Zellinneres vs. Zelläußeres)
Ruhepotential
-70mV Spannungsdifferenz im Zellinneren
-> im Inneren sind mehr Anionen (A-, Cl-) als Kationen (Na+, K+)
= negativ polarisiertes Neuron
Faktoren
Chemischer Gradient
Ionen wandern von Orten HOHER Konzentration zu Orten NIEDRIGER Konzentration
= Brownsche Molekularbewegung
Elektrostatische Kraft
Ionen werden von entgegengesetzer Ladung angezogen
Na+ & K+ wollen in den negativ geladenen Zellinnenraum gelangen
Semipermeable Zellmembran
Die Zellmembran ist semipermeabel (semi=selektiv; permeabel=durchlässig)
Durchlässigkeit der Membran
Kalium-Ionen(K+): Durchlässig, kann in BEIDE Richtungen passieren
Chlorid-Ionen(Cl-): Durchlässig
Natrium-Ionen(Na+): Kaum durchlässig, kann nur an wenigen Kanälen hinein
=> Leckstrom
Protein-Ionen(A-): Undurchlässig
=> Proteine sind "zu groß" für Zellmembran
Na+/K+-Pumpe
Na+ im Zellinneren bindet an Na+/K+-Pumpe
Na+-Bindung stimuliert Phosphorylierung durch ATP
Öffnung der Pumpe im Zelläußeren durch Phosphorylierung => DREI Na+ nach außen
Bindung von ZWEI K+ an Na+/K+-Pumpe
Verlust des Phosphors führt zur Ausgangsform der Pumpe
1 more item...
:warning: = ENERGIEVERBRAUCH!
Resultierende Kräfte
Cl-: Chemischer Gradient = Elektrostatische Kraft => kein Ladungsunterschied
Für jedes eintretende Chloridion wandert ein anderes ins Zelläußere
A-: Proteinmoleküle "zu groß" um Zellmembran zu durchqueren => kein Ladungsunterschied
K+: Chemischer Gradient stärker als elektrostatische Kraft = Hauptfaktor für Ladungsdifferenz von -70mV!
Chemischer G: ZI ===> ZA
Elektrostatische Kraft: ZI <--- ZA
Semipermeable Membran: ZI <===> ZA
Na+: Außen viel NA+ -> starker chemischer Gradient, Membran für Na+ kaum durchlässig
Na+-Leckstrom muss entfernt werden, damit Ruhepotential von -70mV bestehen bleibt
Chemischer G: ZI <=== ZA
Elektrostatische K.: ZI <=== ZA
Semipermeable Membran: ZI <--- ZA (Kaum durchlässig)
Aktionspotential
Massive kurzzeitige Umkehr des Ruhepotentials (-70mV -> +50mV)
Dauer ca. 1 ms
3-Phasiger Ablauf
Depolarisation
Nach überschreiten der Schwelle von -55mV öffnen sich in Reihenfolge die Na+ und die K+-Kanäle. Infolge dessen steigt die Ladung auf +50mV
Repolaristation
Im Peak (+50mV) schließen sich die Na+-Kanäle, sodass die Ladung wieder stark abfällt. Der Ursprungszustand (-70mV) wird wiederhergestellt
Hyperpolarisation
Im Ursprungszustand beginnen die K+-Kanäle sich zu schließen. Da diese träge sind und sich nur langsam schließen, sinkt die Spannung kurzzeitig unter das RP von -70mV
:point_right:Refraktärzeiten (Ruhepausen)
Absolute Refraktärzeit
= Während Depolarisation und Repolarisation (Dauer 1-2ms) kann kein neues AP ausgelöst werden
Relative Refraktärzeit
= Während Hyperpolarisation ist es theoretisch möglich, ein neues AP auszulösen, aber nur bei :warning: starker Reizung :warning:
Frequenz der AP hängt von der Reizintensität ab
Sanfter Reiz (z.B. Streicheln) -> niedrige Frequenz; Wenige APs,Starker Reiz (z.B. Schlagen) -> Viele APs, hohe Frequenz
Weiterleitung in Axonen
Unmyelinisierte Axone
Axonhügel generiert AP
Nächstliegender Na+-Kanal öffnet sich
Polarität dreht sich um (+ rein / - raus)
Es entsteht ein neues AP am Axon; Wiederholung von #2.
:point_right: Ereignisse laufen wiederholt ab -> KONTINUIERLICHE ERREGUNGSLEITUNG
Langsame Erregungsleitung (25m/s)
Myeliniserte Axone
Ionen passieren das Axon nur an Ranvierschen Schnürringen -> Dort werden die APs generiert
Jeweilge Na+-Kanäle öffnen sich und kehren die Polarisierung um
Sehr schnelle Übertragung >100m/s -> SALTATORISCHE (=springende) ERREGUNGSLEITUNG
Verläuft nur in eine Richtung, da benutzte Kanäle eine Erholungspause (Refraktärzeit) benötigen
Ionen
= Elektisch geladene Teilchen
Positiv: Kationen (meist Metalle: K+, Na+, Ca2+, ...)
Negativ: Anionen (meist nicht-Metalle: Cl-, A-, ...)
Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an => Elektrostatische Wechselwirkung!
Intra- und Extrazellulär herrscht ein flüssiges Millieu mit frei beweglichen Ionen
Intrazellulär
Positiv geladene Kaliumionen (K+)
Negativ geladene Protein-Ionen (A-)
Extrazellulär
Negativ geladene Chloridionen (Cl-)
Positiv geladene Natriumionen (Na+)
Weiterleitung an der Synapse & Empfang an der nächsten Zelle
Ablauf
Ankommendes AP führt zur Freisetzung von Ca2+ an der Synapse
Versikel mit Neurotransmittern (NT) verschmelzen mit der Präsynaptischen Membran und geben NT in den Synaptischen Spalt frei (-> Fusion)
NT binden an Proteinkanälen der Postsynaptischen Membran
Na+ oder Cl- fließt in die Postsynaptische Zelle -> :warning: AP(PSP) wird ausgelöst
4.1 Werden genug EPSP summiert & vom Axonhügel verrechnet, feuert dieser ein neues AP entlang des Axons
2 Arten der Reizübertragung
Exzitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP)
Postsynapse wird depolarisiert -> RP von -70mV auf -67mV
Erhöhte Feuerwahrscheinlichkeit des Neurons
Na+-Kanäle öffnen sich und Na+ strömt in den Zellinnenraum (Dendriten der Postsynapse)
Inhibitorisches postsynaptisches Potential (IPSP)
Postsynapse wird hyperpolarisiert -> RP von -70mV auf -73mV
Verringerte Feuerwahrscheinlichkeit des Neurons
K+-Kanäle öffnen sich und K+ strömt aus
Cl- Kanäle öffnen sich und Cl- strömt ein
EPSP & IPSP sind GRADUELLE REAKTIONEN -> Spannungsänderung hängt von der Intensität des Reizes ab
EPSP & IPSP sind kleine und haben alleine keinen Effekt
:point_right: Tausende Dendriten eines Neurons führen zu Integration (SUMMATION) der PSPs am :warning: Axonhügel
Räumliche Integration
Gleichzeitiges Auftreten von PSPs an verschiedenen Stellen des Neurons addiert sich auf (Summation)
Verstärkung der Erregung (EPSP+EPSP)
Verstärkung der Hemmung (IPSP+IPSP)
Auslöschung des Signals (EPSP + IPSP)
Zeitliche Integration
Schnelle Reihenfolge von PSPs an der selben Stelle führt zur Summation der einzelnen PSPS
Feuern des Neurons (EPSP+EPSP)
Hemmung der Informationsweiterleitung (IPSP + IPSP)
=/= Weiterleitung im Axon: Alles-oder-nichts-Prinzip
Exkurs Epilepsie
Steile Depolarisation ( :warning::paroxysmale Depolarisation) in den Nervenzellen
Ca+-Ionen binden sich an Postsynapse, welche die Na+-Kanäle öffnen :point_right: Große Anzahl Na+ fließt ins Neuron
Langanhaltende Membranpotentialänderung der Zellen
Normale APs werden von paroxysmalen Aktionspotentialen verdrängt
Verknüpfte Synapse werden massiv erregt und in ihrer Aktivität synchronisiert
Zeitgleiche Erregung vieler Nervenzellen im ZNS
Behinderung der differenzierten Informationsverarbeitung
Auslösung undifferenzierter Reaktionen
Kontrollverlust
