Ringvorlesung „Grundlagen der Biowissenschaften I“: Ringvorlesung „Grundlagen der Biowissenschaften I“: Block NeurobiologieBlock Neurobiologie

R. Brandt, G. JeserichR. Brandt, G. Jeserich(Email: (Email: brandt@biologie.unibrandt@biologie.uni--osnabrueck.osnabrueck.dede, , jeserich@biologie.unijeserich@biologie.uni--

osnabrueck.deosnabrueck.de))

Programm:

Termin 1 (2 st.): Aufgaben und Zellen des Nervensystems (RB)

Termin 2 (2 st.): Nervenimpulse und Signalübertragung (GJ)

Termin 3 (1 st.): Entwicklung und Organisation des Nervensystems (RB)

Termin 4 (2 st.): Sensorische Erregung und Wahrnehmung I (GJ)

Termin 5 (2 st.): Sensorische Erregung und Wahrnehmung II, Motorik (GJ)

Termin 6 (1 st.): Funktionelle Anatomie des menschlichen Gehirns (RB)

Termin 1: Aufgaben und Zellen des Nervensystems

1. Aufgaben des Nervensystems

2. Neuronale Bahnen

3. Neurale Zelltypen

4. Struktur von Synapsen

Lehrbücher:

Grundlegende Literatur:Campbell, NA. Biologie. Heidelberg: Spektrum, 2000 – Kapitel Nervensysteme und

Sensorik und Motorik Reichert, H. Neurobiologie. Stuttgart: Thieme, 2000 (2. Auflage)

Weiterführende Literatur:Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM. Principles of neural science. New York:

McGraw-Hill, 2000 (4th edition).

Aufgaben und Struktur des NervensystemsAufgaben und Struktur des Nervensystems

Sensorischer Sensorischer Eingang Eingang (Input)(Input)

Verarbeitung der Information Verarbeitung der Information (Integration)(Integration)

Motorischer Motorischer Ausgang Ausgang (Output)(Output)

Neuronale BahnenNeuronale Bahnen

Sensorischer Sensorischer Eingang Eingang (Input)(Input)

Verarbeitung der Information (Integration)Verarbeitung der Information (Integration)Assoziationskortices der GroßhirnhemisphärenAssoziationskortices der Großhirnhemisphären

Motorischer Motorischer Ausgang Ausgang (Output)(Output)

Neuronale Bahnen (anatomisch)Neuronale Bahnen (anatomisch)

Zellen des NervensystemsZellen des Nervensystems

Im menschlichen Gehirn: etwa 10 Im menschlichen Gehirn: etwa 10 NervenzellenNervenzellen(Klassifikation in mindestens 1000 Subtypen)(Klassifikation in mindestens 1000 Subtypen)

1111

etwa 10etwa 10--50 mal mehr 50 mal mehr GliazellenGliazellen

„„NeuronenNeuronen--Doktrin“Doktrin“(Ramon y Cajal, um 1900):(Ramon y Cajal, um 1900):

•• Nervensystem ist aus Nervensystem ist aus einzelnen Nervenzelleneinzelnen Nervenzellen aufgebaut aufgebaut •• Nervenzellen sind die Nervenzellen sind die Grundeinheit der InformationsverarbeitungGrundeinheit der Informationsverarbeitung

in allen Nervensystemenin allen Nervensystemen

Nur ca. 30.000 Gene im menschlichen GenomNur ca. 30.000 Gene im menschlichen GenomEtwa 3 Millionen mal so viel Nervenzellen wie GeneEtwa 3 Millionen mal so viel Nervenzellen wie Gene

Zelltypen des NervensystemsZelltypen des Nervensystems

NervenzellenNervenzellen

GliazellenGliazellen

SensorischeSensorischeNeuroneNeurone

MotorischeMotorischeNeuroneNeurone

InterInter--NeuroneNeurone

(99,999%)(99,999%)

MikrogliaMikroglia MakrogliaMakroglia

OligodendroOligodendro--zytenzyten

AstrozytenAstrozytenSchwannSchwann--zellenzellen

Aufgaben der MakrogliaAufgaben der Makroglia

Isolierung der AxoneIsolierung der AxoneStützfunktionStützfunktion

NährstofflieferantNährstofflieferantInduzieren Aufbau der Blut/HirnInduzieren Aufbau der Blut/Hirn--

SchrankeSchrankenehmen Neurotransmitter aufnehmen Neurotransmitter auf

halten extrazelluläre K+ halten extrazelluläre K+ Ionenkonzentration Ionenkonzentration

Gestalt von NervenzellenGestalt von Nervenzellen

Input von etwa Input von etwa 10.000 10.000

Kontakten Kontakten

Input von etwa Input von etwa 150.000 150.000

Kontakten Kontakten

BlutBlut--Hirn SchrankeHirn Schranke

Funktionelle Polarität von NervenzellenFunktionelle Polarität von Nervenzellen

Morphologische Polarität von NervenzellenMorphologische Polarität von NervenzellenAxonAxon -- Gleichbleibender DurchmesserGleichbleibender Durchmesser

-- Häufig rechtwinklige VerzweigungenHäufig rechtwinklige Verzweigungen-- Gesamtquerschnitt kann distal zunehmenGesamtquerschnitt kann distal zunehmen

DendritenDendriten -- VerjüngendVerjüngend-- Häufig stark und baumartig verzweigtHäufig stark und baumartig verzweigt-- Abnehmender GesamtquerschnittAbnehmender Gesamtquerschnitt

SignalempfangSignalempfangTransduktion einesTransduktion eines

Chemischen Signals Chemischen Signals in ein elektrischesin ein elektrisches

SignalSignal--integrationintegration

SignalweiterSignalweiter--leitungleitung

TransduktionTransduktioneines elektrischen eines elektrischen

Signals Signals in ein chemischesin ein chemisches

Untersuchung der Entwicklung neuronaler Polarität im Untersuchung der Entwicklung neuronaler Polarität im KulturmodellKulturmodell

Isolierte Neuronen aus dem Hippokampus der embryonalen RatteIsolierte Neuronen aus dem Hippokampus der embryonalen RatteStereotype Sequenz von EreignissenStereotype Sequenz von Ereignissen

Das Zellskelett in Das Zellskelett in NervenzellenNervenzellen

Funktionelle Integration der zytoskeletalen Komponenten:

Axonale Wegfindung

Synapsen

Chemische SynapsenChemische Synapsen (bei Wirbeltieren der häufigste Synapsentyp)(bei Wirbeltieren der häufigste Synapsentyp)

Elektrische SynapsenElektrische Synapsen(Kopplung durch „Gap Junctions“)(Kopplung durch „Gap Junctions“)

Anatomie der motorischen Endplatte als Prototyp einer Synapse

3 interagierende Zelltypen: Motoneuron, Skelettmuskel,3 interagierende Zelltypen: Motoneuron, Skelettmuskel,SchwannzelleSchwannzelleStrukturen: Strukturen:

-- Präsynaptische Spezialisierung Präsynaptische Spezialisierung -- postsynaptische Spezialisierungpostsynaptische Spezialisierung-- BasalmembranBasalmembran

AcetylcholinesteraseAcetylcholinesterase

Dendritische Dornen als häufige Orte der Synapse im

zentralen Nervensystem

Termin 3: Entwicklung und Organisation des NervensystemsEntwicklung und Organisation des Nervensystems

1. Nervensysteme der Invertebraten

2. Nervensysteme der Wirbeltiere

3. Evolution des Wirbeltiergehirns

„Nothing in biology makes sense except in the light of evolution“Theodozius Dobhanzky, 1973

Niedrigste Organismen mit einem erkennbaren Nervensystem: CnidarNiedrigste Organismen mit einem erkennbaren Nervensystem: Cnidarier ier („Nesseltiere“) (z.B. Hydra)(„Nesseltiere“) (z.B. Hydra)

Aurelia auritaAurelia aurita

(Ohrenqualle)(Ohrenqualle)

-- Nervenzellen sind zu einem Netzwerk verbunden mit gelegentlicheNervenzellen sind zu einem Netzwerk verbunden mit gelegentlichennAnhäufungen von Zellkörpern („Anhäufungen von Zellkörpern („GanglienGanglien“)“)

-- Kein Kein zentraleszentrales Nervensystem (ZNS)Nervensystem (ZNS)

Sensorischer Sensorischer EingangEingang

Motorischer Motorischer AusgangAusgang

Verarbeitung der Verarbeitung der InformationInformation

HydraHydra

-- Nervenzellen sind nicht myelinisiertNervenzellen sind nicht myelinisiert-- Synapsen sind z.T. Synapsen sind z.T. symmetrischsymmetrisch zwischen den Nervenzellen ausgebildetzwischen den Nervenzellen ausgebildet

Niedrigste Organismen mit einem klar definierten ZentralnervensyNiedrigste Organismen mit einem klar definierten Zentralnervensystem: stem: Plathelminthen und NemathelminthenPlathelminthen und Nemathelminthen

Ausbildung von BilateralsymmetrieAusbildung von BilateralsymmetrieKopfbildung (Cephalisation)Kopfbildung (Cephalisation)Konzentration von sensorischen Konzentration von sensorischen

Strukturen am KopfendeStrukturen am KopfendeAusbildung eines Ausbildung eines MarkstrangesMarkstranges

Wichtiger Modellorganismus: der Bodennematode Wichtiger Modellorganismus: der Bodennematode Caenorhabditis elegansCaenorhabditis elegans

C. elegans C. elegans als Modellorganismus zur Entwicklung des Nervensystemsals Modellorganismus zur Entwicklung des Nervensystems

-- vollständige vollständige SequenzaufklärungSequenzaufklärung

-- 302 Nervenzellen mit 302 Nervenzellen mit genau definierter Herkunftgenau definierter Herkunft

-- Vollständige Vollständige elektronenmikroskopische elektronenmikroskopische Rekonstruktion des Rekonstruktion des NervensystemsNervensystems

Das Nervensystem der WirbeltiereDas Nervensystem der Wirbeltiere

Zunehmende Tendenz der Zentralisierung und der Zunehmende Tendenz der Zentralisierung und der CephalisationCephalisation: im : im Menschen ist die Mehrzahl der Nervenzellen im Gehirn und 99.999%Menschen ist die Mehrzahl der Nervenzellen im Gehirn und 99.999% aller aller

Nervenzellen sind InterneuroneNervenzellen sind Interneurone

Sensorischer Sensorischer EingangEingang

Motorischer Motorischer AusgangAusgang

Verarbeitung der Verarbeitung der InformationInformation

Funktionelle Untereinheiten des NervensystemsFunktionelle Untereinheiten des Nervensystems

sensorische sensorische UntereinheitUntereinheit

motorische motorische UntereinheitUntereinheit

Somatisches Somatisches NervensystemNervensystem

Autonomes Autonomes NervensystemNervensystem

SympathicusSympathicus

ParasympathicusParasympathicus

Somatisches NervensystemSomatisches Nervensystem: : Signale an Skelettmuskel zur Reaktion Signale an Skelettmuskel zur Reaktion auf auf äußereäußere ReizeReize

Autonomes (vegetatives) NervensystemAutonomes (vegetatives) Nervensystem: : Signale, die das Signale, die das innere Milieuinnere Milieu(Energiestoffwechsel und Homöostase) (Energiestoffwechsel und Homöostase) betreffenbetreffen

Zwei Untereinheiten: Zwei Untereinheiten: SympathicusSympathicus: Steigerung des : Steigerung des Energieverbrauchs, Organismus wird auf Energieverbrauchs, Organismus wird auf Handeln vorbereitetHandeln vorbereitetParasympathicusParasympathicus: Drosselung des : Drosselung des Energieverbrauchs, ErholungEnergieverbrauchs, Erholung

Peripheres NervensystemPeripheres Nervensystem

ZentralnervensystemZentralnervensystem

Besteht aus Besteht aus GehirnGehirn und und RückenmarkRückenmarkgefüllt (Ventrikel, Zentralkanal) und umgeben von gefüllt (Ventrikel, Zentralkanal) und umgeben von CerebrospinalflüssigkeitCerebrospinalflüssigkeit

RückenmarkRückenmark: : Generierung von Reflexen und Generierung von Reflexen und Informationsweiterleitung vom und zum GehirnInformationsweiterleitung vom und zum Gehirn

Entwicklung des ZentralnervensystemsEntwicklung des Zentralnervensystems

Neuralrohr Neuralrohr (entsteht aus (entsteht aus Einstülpung des dorsalen Einstülpung des dorsalen Ektoderms bei der frühen Ektoderms bei der frühen

Organogenese)Organogenese)

Hinterer Teil Hinterer Teil RRüückenmarkckenmark

Vorderer Teil Vorderer Teil BlasenBlasenGehirnGehirn

(Segmentierte Struktur)(Segmentierte Struktur)

Evolution des WirbeltiergehirnsEvolution des Wirbeltiergehirns

3 stammesgeschichtlich alte Hirnbereiche: 3 stammesgeschichtlich alte Hirnbereiche: Vorderhirn, Mittelhirn, RautenhirnVorderhirn, Mittelhirn, Rautenhirn

Trends bei der Entwicklung des Wirbeltiergehirns: Trends bei der Entwicklung des Wirbeltiergehirns: 1.1. Zunahme der relativen Größe des GehirnsZunahme der relativen Größe des Gehirns

Trends bei der Entwicklung des Wirbeltiergehirns: Trends bei der Entwicklung des Wirbeltiergehirns: 2. Zunahme der Differenzierung und Segmentierung2. Zunahme der Differenzierung und Segmentierung

Trends bei der Entwicklung des Wirbeltiergehirns:Trends bei der Entwicklung des Wirbeltiergehirns:

4. Zunahme der Oberfläche der 4. Zunahme der Oberfläche der GroßhirnrindeGroßhirnrinde

3. Zunahme der Komplexität 3. Zunahme der Komplexität des Vorderhirnsdes Vorderhirns

Architektur der GroßhirnrindeArchitektur der Großhirnrinde

Ausbildung von „Ausbildung von „KolumnenKolumnen“ als grundlegender “ als grundlegender funktioneller Einheit der Großhirnrindefunktioneller Einheit der Großhirnrinde

Durchmesser: etwa 200Durchmesser: etwa 200--300 µm300 µmJede Kolumne enthält etwa 2500 NervenzellenJede Kolumne enthält etwa 2500 NervenzellenDie menschliche Großhirnrinde enthält etwa 4 Die menschliche Großhirnrinde enthält etwa 4

Millionen Kolumnen.Millionen Kolumnen.

Termin 6: Funktionelle Anatomie des menschlichen GehirnsFunktionelle Anatomie des menschlichen Gehirns

1. Anatomie des menschlichen Gehirns

2. Funktionelle Systeme

Literaturtipp: Antonio R. Damasio: Literaturtipp: Antonio R. Damasio: Descartes‘ Irrtum: Fühlen, Denken Descartes‘ Irrtum: Fühlen, Denken und das menschliche Gehirnund das menschliche Gehirn, dtv, 1998, dtv, 1998

Vorderhirn:Vorderhirn: Relaisstation (Thalamus), Steuerung der Homöostase Relaisstation (Thalamus), Steuerung der Homöostase (Hypothalamus), „höhere“ Verarbeitungen (Großhirn) und motorisch(Hypothalamus), „höhere“ Verarbeitungen (Großhirn) und motorische Koordination e Koordination (Basalganglien)(Basalganglien)

Hirnstamm:Hirnstamm: Zentren für die Steuerung vegetativer Funktionen (Medulla Zentren für die Steuerung vegetativer Funktionen (Medulla oblongata), Koordination von Bewegungen (Kleinhirn), Motivationsoblongata), Koordination von Bewegungen (Kleinhirn), Motivationssteuerung steuerung (Mittelhirn)(Mittelhirn)

Hauptkomponenten des menschlichen GehirnsHauptkomponenten des menschlichen Gehirns

Prinzipien der Prinzipien der InformationsverarbeitungInformationsverarbeitung

1. Die einzelnen funktionellen 1. Die einzelnen funktionellen Systeme umfassen mehrere Systeme umfassen mehrere Hirnregionen, die die Information Hirnregionen, die die Information unterschiedlich bearbeiten („Relais“)unterschiedlich bearbeiten („Relais“)

Prinzipien der Prinzipien der InformationsverarbeitungInformationsverarbeitung

2. Die einzelnen funktionellen 2. Die einzelnen funktionellen Systeme sind über neuronale Systeme sind über neuronale BahnenBahnen (die aus gebündelten (die aus gebündelten Axonen bestehen) miteinander Axonen bestehen) miteinander verbunden (z.B. Pyramidenbahn mit verbunden (z.B. Pyramidenbahn mit etwa 1 Million Axone)etwa 1 Million Axone)

Prinzipien der Prinzipien der InformationsverarbeitungInformationsverarbeitung

3. Die Verbindungen zwischen den 3. Die Verbindungen zwischen den verschiedenen „Relais“ erfolgen verschiedenen „Relais“ erfolgen geordnetgeordnet, d.h. nahe beieinander, d.h. nahe beieinander--liegende Strukturen bleiben i.d.R. liegende Strukturen bleiben i.d.R. nahe beieinander („nahe beieinander („SomatotopieSomatotopie“)“)

„„Homunculus“Homunculus“

Prinzipien der Prinzipien der InformationsverarbeitungInformationsverarbeitung

4. Das Hirn ist bilateralsymmetrisch 4. Das Hirn ist bilateralsymmetrisch aufgebaut. Die funktionalen Systeme aufgebaut. Die funktionalen Systeme der einen Hirnhälfte kontrollieren die der einen Hirnhälfte kontrollieren die gegenüberliegende Körperseite gegenüberliegende Körperseite

Beispiel I: Phineas Gage (1848): Schädigung im Beispiel I: Phineas Gage (1848): Schädigung im Frontallappen Frontallappen

selektive Auswirkung auf die Fselektive Auswirkung auf die Fäähigkeit, higkeit, Handlungen angemessen zu planenHandlungen angemessen zu planen

Beispiel II: Verletzte Soldaten (WW II; A. Beispiel II: Verletzte Soldaten (WW II; A. Luria): Schädigung im Okzipitallappen Luria): Schädigung im Okzipitallappen

Normales SehvermNormales Sehvermöögen aber gen aber UnfUnfäähigkeit, die gesehene Szene zu higkeit, die gesehene Szene zu

beschreibenbeschreiben

Fähigkeiten des menschlichen Gehirns hängen subtil vom Fähigkeiten des menschlichen Gehirns hängen subtil vom Funktionieren oder dem Ausfall einzelner Hirnbereiche abFunktionieren oder dem Ausfall einzelner Hirnbereiche ab

Beispiel III: Alzheimersche Krankheit, Beispiel III: Alzheimersche Krankheit, SchSchäädigung in der enorhinalen Rinde und digung in der enorhinalen Rinde und

dem Hippocampus dem Hippocampus Charakteristischer Ausfall des Charakteristischer Ausfall des deklarativen Gedächtnissesdeklarativen Gedächtnisses

StatischeStatische Bilder mit hoher Auflösung (Routine MRI, Bilder mit hoher Auflösung (Routine MRI, etwa 1 mm)etwa 1 mm)

Bildgebende Verfahren I:Bildgebende Verfahren I:Kernspintomographie (MRI)Kernspintomographie (MRI)

http://medstat.med.utah.edu/kw/brain_atlas/index.htmhttp://medstat.med.utah.edu/kw/brain_atlas/index.htm

Bildgebende Verfahren II:Bildgebende Verfahren II:Funktionelle Kernspintomographie Funktionelle Kernspintomographie

(fMRI)(fMRI)

IndirekteIndirekte Detektion der Hirnaktivität (z.B. Detektion der Hirnaktivität (z.B. BOLDBOLD, „blood oxygen level detection“), „blood oxygen level detection“)

räumliche Auflösung etwa 1 mm, zeitliche räumliche Auflösung etwa 1 mm, zeitliche Auflösung im Sekundenbereich Auflösung im Sekundenbereich