Neurobiologie

• Die Neurobiologie ist der Teilbereich der Biologie, der sich mit dem Aufbau des Nervensystems auf systemischer, zellulärer und molmolekularer Ebene, sowie mit der Funktionsweise einzelner Neuronen und ihres Zusammenwirkens im Gewebe beschäftigt.
• Motorische Neuronen, auch Motoneuronen oder efferente Neuronen genannt, übermitteln die Impulse von Gehirn und Rückenmark zu den Muskeln oder Drüsen und lösen eine Reaktion aus.
• Sensorische Neuronen, auch afferente Neuronen genannt, leiten die Informationen von den Rezeptoren der Sinnesorgane oder anderen Organe an Gehirn bzw. Rückenmark weiter.
• Ionen sind elektrisch geladene Atome oder Moleküle.
• Ein positiv geladenes Ion heißt Kation (K+), ein negativ geladenes Ion Anion (Cl-).
• Ionen können einfach oder mehrfach geladen sein. Sie entstehen durch Elektronenabgabe oder Elektronenaufnahme auf Basis der Edelgaskonfiguration, also dem Bestreben nach einer voll besetzten Außenschale.
• Salzen sind Verbindungen bestehend aus Ionen, die sich in einem Ionengitter anordnen. Im Ionengitter gleichen sich Kationen und Anionen aus.
• Im Generellen ziehen sich positive und negative Ladungen an, während sie sich untereinander abstoßen.
• Ein Neuron besteht aus einem Zellkörper (Soma) und einem langen Fortsatz (Axon).
• Im Zellkörper befinden sich der Zellkern und alle Organellen, die für die Proteinbiosynthese wichtig sind. Es ist ebenfalls der Ort des Zellwachstums. Auch gibt es ein stark ausgebildetes Endoplasmatisches Retikulum (Nissl-Schollen) mit dicht gepackten Ribosomen.
• Vom Zellkörper gehen viele kleine, meist verzweigte Fortsätze aus, die Dendriten. Diese vergrößern die Oberfläche und empfangen Signale von anderen Neuronen.
• Axone können bis zu 1 Meter lang werden (Rückenmark) und leiten die Signale weiter. Auch das Axon endet in vielen Verästelungen.
• Diese Verästelungen münden in bläschenförmigen Ausweitungen, den Synapsenendknöpfchen. Sie legen sich an die Oberfläche anderer Nervenzellen an. Die Verbindungsstelle zwischen zwei Nervenzellen nennt man Synapse. Hier werden Signale übertragen.
• Das Axon ist von lipid und eiweißreicher Zellmembranen umgeben, der Mark oder Myelinscheide. Diese hat eine Isolationsfunktion des Axons, durch die die Signale schneller weitergegeben werden können.
• Die Myelinscheide wird von den Schwann'schen Zellen gebildet.
• Etwa in Milimeterabständen wird die Myelinscheide durch die Ranvier'schen Schnürung unterbrochen. Diese ermöglichen eine saltatorische Bewegungsleitung und damit eine schnelle Weitergabe der Erregung.
• Als Ruhepotential (RP) wird jede Spannung bezeichnet, die an einer unerregten Nervenzelle gemessen wird. Das Ruhepontential beruht auf dem Konzentrationsgradienten und dem Elektrischen Feld.
• Der Konzentrationsgradient ist die Tendenz zum Konzentrationsausgleich durch Diffusion.
• Das elektrische Feld entsteht durch die Tendenz zum Ladungsausgleich.
• Die Voraussetzungen für das Ruhepotential sind ungleiche Ionenverteilungen und eine selektive Membrandurchlässigkeit.
• Das Ruhepotential entsteht durch den Konzentrationsgradienten und die Kalium Durchlässigkeit der Membran.
• Das Ruhepotential wird konstant gehalten durch das Gleichgewicht zwischen den Tendenzen zum Konzentrationsausgleich und dem Ladungsausgleich und der Aktivität der Natrium Kalium Pumpe.
• Je nach Organismus und Zelltyp liegt das RP bei -50 bis -90 mV.
• Man kann das Ruhepotential messen, indem man ein freipräperiertes Riesenaxon nimmt (z.B. von Loligo) und mit einer Mikroelektrode aus Glas ansticht. Durch Einfüllen eines Elektrolyts (KCl-Lösung) wird diese Messelektode leitend.
• Als Gegenpol dient eine Bezugselektrode, die im Körper mit der Gewebsflüssigkeit in Verbindung steht. Ihr Potenzial ist per Definition 0.
• Sowohl Messelektrode als auch Bezugselektrode sind über einen Verstärker mit einem Oszilloskop verbunden.
• Im Verlauf des Aktionspotentials gibt es den Ruhezustand, die Depolarisation, die Repolarisation und die Hyperpolarisation.
• Die erste Phase des Aktionspotentials ist der Ruhezustand. Das Membranpotential liegt bei -70 mV. Der Großteil der Ionenkanäle für Na+ und K+ sind bis zum Eintreffen eines Reizes geschlossen.
• Bei der Depolarisation trifft ein Reiz ein. Dieser führt zur Öffnung einiger spannungsgesteuerter Na+ Kanäle (geht Spannung nach oben, öffnen sich die Kanäle). Zunächst gibt es einen schwachen Na+ Einstrom und das MP ändert sich nur langsam.
• Wird bei der Depolarisation der Schwellenwert (ca. -40mV) erreicht, öffnen sich noch mehr Na+ Kanäle schlagartig für ca. 1 ms. Es folgt ein starker Na+ Einstrom ins Axoninnere. Das MP ändert sich rasch bis auf ca. 30 mV (Ladungsumkehr).
• Bei der Repolarisation schließen sich die Na+ Kanäle langsam und es gibt keinen weiteren Na+ Einstrom. Parallel öffnen sich spannungsgesteuerte K+ Kanäle. Es folgt ein starker K+ Ausstrom und eine erneute Ladungsumkehr.
• Bei der Hyperpolarisation geht die Ladungsumkehr über den Ruhezustand hinaus (ca. -90 mV) bis zum Schließen der K+ Kanäle. Es gibt keinen weiteren K+ Ausstrom. Die Na+ K+ Pumpe korrigiert die Ionenkonzentration. Es findet die Rückkehr zum Ausgangszustand statt. Das Ruhepontential wird nach einer Gesamtdauer von etwa 2-3 ms wiederhergestellt.
• Als Aktionspotential bezeichnet man den Zustand der kurzfristigen (1-2 ms) Membranumpolung am Axon einer Nervenzelle.
• Aktionspotenziale werden nach dem Alles oder Nichts Prinzip ausgelöst, das heißt bei Überschreitung eines Schwellenwerts erfolgt die kurzzeitige Umpolung der gereizten Membranstelle.
• Die Reizstärke beeinflusst nicht die Amplitude, sondern nur die Frequenz der ausgelösten APs. Je stärker der Reiz, desto mehr APs pro Sekunde.
• Die Ionenströme während des Aktionspotenzials sind passive Transportvorgänge. Aufgrund von Konzentrationsunterschieden zwischen Zellinneren und Zelläußeren läuft die Diffusion sehr schnell ab.
• Nach jedem AP sind innen einige Na+ Ionen und außen einige K+ Ionen mehr als vorher vorhanden. Nach einigen tausend APs würde dies zu einem Konzentrationsausgleich führen, wodurch das Ruhepotential und damit die Erregbarkeit verloren ginge. Um dies zu vermeiden, arbeitet im Hintergrund immer die Na+ und K+ Pumpe.
• Unmittelbar nach einem AP kann an einer Membranstelle für kurze Zeit kein neues AP ausgelöst werden. Diese Zeit der Unerregbarkeit bezeichnet man als Refraktärphase. Sie beruht darauf, dass das Natriumkanal-System sich erst nach ca. 2 ms wieder aktivieren lässt.
• Bei einer chemischen Synapse erreicht das Aktionspotential zunächst das Endknöpfchen. Dadurch öffnen sich die Ca2+ Kanäle.
• Anschließend dringen bei der Synapse die Ca2+ Ionen in den Zellinnenraum. Die Vesikel gefüllt mit Neurotransmittern (z.B. Acetylcholin) verschmelzen mit der präsynaptischen Membran (Exocytose).