Nervensystem und Gehirn des Menschen, Auge, Abiturprüfungen von Biologie

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I Aewensysteme & Saanesergane | bio@schodl 6 S. 9-40, 51-58  Entwicklung von Nervensystemen Wirbellose Tiere Hohltiere Quallen, Polypen haben vernetzt angeordnete Nervenzellen im Stützgewebe Spinnentiere, Plattwürmer, Weichtiere Zentralisation Anhäufung von Nervenzellen zu größeren Kontrolleinheiten zentrale Nervenknoten --> Ganglien mit ableitenden Nervenfasern Insekten, Tausendfüßer, Krebse, Ringelwürmer, Schnecken, Tintenfische Strickleiternervensystem mit Konzentration der Mundwerkzeuge und Sinnesorgane im Vorderbereich der Bewegungsrichtung --> Ausbildung eines Kopfes --> Cephalisation Wirbeltiere Nervensystem lieg immer rückseitig und ist eine Bildung des äußeren Keimblattes (Ektoderm) Ausgehend von einer zentralen Steuerung (Gehirn) haben sich verschiedene untergeordnete Steuer-, Arbeits- und Kontrollebenen (Organe) entwickelt --> Hierarchie Aufbau Zentralnervensystem (Gehirn + Rückenmark) und Peripheres Nervensystem (somatisches und vegetatives Nervensystem) Aufgabe Rasche Leitung und Weitergabe von Informationen und Koordination aller Körpertätigkeiten Polyp (Nesseltiere) Seestern (Stachelhäuter) Blutegel (Ringelwürmer) Salamander (Wirbeltiere) Reizweiterleitung Aktionspotenzial ist der eigentliche Nervenimpuls Eine Erregung läuft nur dann ab, wenn der auslösende Reiz stark genug war --> “Alles-oder-nichts-Antwort“ Ist der Reiz stark genug, so wandert er die gesamte Länge des Axons entlang. Depolarisation einer Membranstelle bewirkt Depolarisation in der Nachbarregion --> Na+-Kanäle öffnen sich --> Aktionspotenzial Nervenimpulse werden an jeder Stelle neu gebildet Nervenimpuls läuft nur in eine Richtung, weil Natriumkanäle “hinter“ dem Impuls durch die Refraktärzeit geschlossen sind Natrium-Kalium-Pumpe Ohne elektrische Spannung zwischen Zellinnerem und Zelläußerem könnten keine elektrisch geladenen Teilchen mehr fließen --> keine Reizweiterleitung Proteine pumpen ständig mit Energieaufwand (ATP) 2 Kalium-Ionen entgegen Konzentrationsgefälle in die Zelle hinein und 3 Natrium-Ionen entgegen Konzentrationsgefälle und elektrische Anziehung aus der Zelle hinaus --> Membranpotenzial wird aufrechterhalten Reizweiterleitungsgeschwindigkeit Durchmesser Je größer der Durchmesser der Nervenfaser, desto schneller ist die Fortleitung --> v.a. bei wirbellosen Tieren (Tintenfische, Hummer) kontinuierliche Erregungsleitung (ohne Myelinscheide) Geschwindigkeit bis zu 25 m/s Myelinschicht Wirbeltiere haben Nervenfasern mit Hüllzellen aus Myelin. Die Bildung von Nervenimpulsen kann nur im Bereich der nicht isolierten Schnürringe erfolgen. Impuls “springt“ über Myelin-Hüllzellen hinweg --> saltatorische Erregungsleitung Leitungsgeschwindigkeit bis zu 120 m/s Synapsen In den Synapsen erfolgt das Überspringen der Erregung. Einteilung Elektrische Synapsen v.a. bei wirbellosen Tieren Reflexbewegungen des Menschen (Lidschluss) Nervenzellen berühren sich --> direkte Weiterleitung des Impulses über Ionenkanäle Übertragung in beide Richtungen Chemische Synapsen Kennzeichen der Nervensysteme von Wirbeltieren Zwischen zwei Nervenzellen befindet sich Zwischenraum --> synaptischer Spalt Elektrischer Strom kann Spalt nicht überwinden Nervensignale überwinden Spalt mithilfe von Neurotransmittern (chemische Botenstoffe) Nur im Bereich der chemischen Synapsen kann ein Reiz gestoppt werden Übertragung nur in eine Richtung Vorgänge bei chemischer Synapse 1. Durch elektrischen Impuls strömen durch die Membran in das Endknöpfchen Ca2+-Ionen ein. 2. Kleine Bläschen mit Neurotransmittermolekülen verschmelzen mit der präsynaptischen Membran des Endknöpfchens. 3. Neurotransmittermoleküle werden in den synaptischen Spalt entleert 4. Neurotransmittermoleküle verbinden sich auf der postsynaptischen Membran mit speziellen Rezeptoren (Schlüssel-Schloss-Prinzip) 5. Sobald der Neurotransmitter bindet, öffnet sich der Ionenkanal 6. Na+-Ionen strömen aus dem synaptischen Spalt ins Zellinnere 7. Überschreitet Depolarisation den Schwellenwert, wird ein Aktionspotenzial ausgelöst 8. Neurotransmittermoleküle werden durch Enzyme abgebaut --> Abbauprodukte kehren wieder in Endknöpfchen zurück, wo sie zu neuen Transmittermolekülen zusammengebaut werden. Neurotransmitter Erregende Neurotransmitter Bindung an den Rezeptor der postsynaptischen Membran --> Depolarisation  Acetylcholin: aktiviert Skelettmuskulatur  Adrenalin: erhöht Blutvolumen in Gefäßen, Atemfrequenz Hemmende Neurotransmitter Hyperpolarisieren postsynaptische Membran durch Öffnen von K+ und Cl--Kanälen --> Erregungsleitung wird gehemmt  Serotonin: Schlaf-Wach-Rhythmus, Lernvermögen  Endorphine: setzen Schmerzempfinden herab Wirkungsweise Gifte, Medikamente und Suchtmittel Die Inhaltsstoffe von Drogen und Suchtmittel wirken auf unterschiedliche Weise an den Nervenzellen:  Unterbindung oder Beeinflussung der Reizweiterleitung  Veränderung der elektrischen Verhältnisse an den Membranen von Nervenzellen  Verstärkte oder verminderte Ausschüttung von Neurotransmittern Hemmung der Ausschüttung des Transmitters Lähmung der Atem- und Herzmuskulatur, weil dort keine elektrischen Impulse mehr ankommen --> ohne Hilfe kommt es zum Tod Irreparable Entleerung des Transmittern Tod durch Atemlähmung Blockade der Rezeptoren im Bereich der postsynaptischen Membran Tod durch Lähmung der Herz- oder Atemmuskulatur; auch Schmerz stillende Medikamente blockieren Rezeptoren Schädigung der Rezeptoren Nikotin besetzt und schädigt Dopamin-Rezeptoren --> werden empfindlicher und wollen Nachschub von Nikotin Dopamin abbauende Enzyme im synaptischen Spalt werden gehemmt, nach Abbau des Nikotins arbeiten sie aber wieder normal --> Dopaminspiegel wird gesenkt --> neuerliche Zufuhr von Nikotin ist nötig Hemmung der Transmitter spaltenden Enzyme Überreizung der postsynaptischen Nervenzellen I Aewensysteme & Saanesergane | bio@schodl 6 S. 9-40, 51-58  Entwicklung von Nervensystemen Wirbellose Tiere Hohltiere Quallen, Polypen haben vernetzt angeordnete Nervenzellen im Stützgewebe Spinnentiere, Plattwürmer, Weichtiere Zentralisation Anhäufung von Nervenzellen zu größeren Kontrolleinheiten zentrale Nervenknoten --> Ganglien mit ableitenden Nervenfasern Insekten, Tausendfüßer, Krebse, Ringelwürmer, Schnecken, Tintenfische Strickleiternervensystem mit Konzentration der Mundwerkzeuge und Sinnesorgane im Vorderbereich der Bewegungsrichtung --> Ausbildung eines Kopfes --> Cephalisation Wirbeltiere Nervensystem lieg immer rückseitig und ist eine Bildung des äußeren Keimblattes (Ektoderm) Ausgehend von einer zentralen Steuerung (Gehirn) haben sich verschiedene untergeordnete Steuer-, Arbeits- und Kontrollebenen (Organe) entwickelt --> Hierarchie Aufbau Zentralnervensystem (Gehirn + Rückenmark) und Peripheres Nervensystem (somatisches und vegetatives Nervensystem) Aufgabe Rasche Leitung und Weitergabe von Informationen und Koordination aller Körpertätigkeiten Polyp (Nesseltiere) Seestern (Stachelhäuter) Blutegel (Ringelwürmer) Salamander (Wirbeltiere) Reizweiterleitung Aktionspotenzial ist der eigentliche Nervenimpuls Eine Erregung läuft nur dann ab, wenn der auslösende Reiz stark genug war --> “Alles-oder-nichts-Antwort“ Ist der Reiz stark genug, so wandert er die gesamte Länge des Axons entlang. Depolarisation einer Membranstelle bewirkt Depolarisation in der Nachbarregion --> Na+-Kanäle öffnen sich --> Aktionspotenzial Nervenimpulse werden an jeder Stelle neu gebildet Nervenimpuls läuft nur in eine Richtung, weil Natriumkanäle “hinter“ dem Impuls durch die Refraktärzeit geschlossen sind Natrium-Kalium-Pumpe Ohne elektrische Spannung zwischen Zellinnerem und Zelläußerem könnten keine elektrisch geladenen Teilchen mehr fließen --> keine Reizweiterleitung Proteine pumpen ständig mit Energieaufwand (ATP) 2 Kalium-Ionen entgegen Konzentrationsgefälle in die Zelle hinein und 3 Natrium-Ionen entgegen Konzentrationsgefälle und elektrische Anziehung aus der Zelle hinaus --> Membranpotenzial wird aufrechterhalten Reizweiterleitungsgeschwindigkeit Durchmesser Je größer der Durchmesser der Nervenfaser, desto schneller ist die Fortleitung --> v.a. bei wirbellosen Tieren (Tintenfische, Hummer) kontinuierliche Erregungsleitung (ohne Myelinscheide) Geschwindigkeit bis zu 25 m/s Myelinschicht Wirbeltiere haben Nervenfasern mit Hüllzellen aus Myelin. Die Bildung von Nervenimpulsen kann nur im Bereich der nicht isolierten Schnürringe erfolgen. Impuls “springt“ über Myelin-Hüllzellen hinweg --> saltatorische Erregungsleitung Leitungsgeschwindigkeit bis zu 120 m/s Synapsen In den Synapsen erfolgt das Überspringen der Erregung. Einteilung Elektrische Synapsen v.a. bei wirbellosen Tieren Reflexbewegungen des Menschen (Lidschluss) Nervenzellen berühren sich --> direkte Weiterleitung des Impulses über Ionenkanäle Übertragung in beide Richtungen Chemische Synapsen Kennzeichen der Nervensysteme von Wirbeltieren Zwischen zwei Nervenzellen befindet sich Zwischenraum --> synaptischer Spalt Elektrischer Strom kann Spalt nicht überwinden Nervensignale überwinden Spalt mithilfe von Neurotransmittern (chemische Botenstoffe) Nur im Bereich der chemischen Synapsen kann ein Reiz gestoppt werden Übertragung nur in eine Richtung Vorgänge bei chemischer Synapse 1. Durch elektrischen Impuls strömen durch die Membran in das Endknöpfchen Ca2+-Ionen ein. 2. Kleine Bläschen mit Neurotransmittermolekülen verschmelzen mit der präsynaptischen Membran des Endknöpfchens. 3. Neurotransmittermoleküle werden in den synaptischen Spalt entleert 4. Neurotransmittermoleküle verbinden sich auf der postsynaptischen Membran mit speziellen Rezeptoren (Schlüssel-Schloss-Prinzip) 5. Sobald der Neurotransmitter bindet, öffnet sich der Ionenkanal 6. Na+-Ionen strömen aus dem synaptischen Spalt ins Zellinnere 7. Überschreitet Depolarisation den Schwellenwert, wird ein Aktionspotenzial ausgelöst 8. Neurotransmittermoleküle werden durch Enzyme abgebaut --> Abbauprodukte kehren wieder in Endknöpfchen zurück, wo sie zu neuen Transmittermolekülen zusammengebaut werden. Neurotransmitter Erregende Neurotransmitter Bindung an den Rezeptor der postsynaptischen Membran --> Depolarisation  Acetylcholin: aktiviert Skelettmuskulatur  Adrenalin: erhöht Blutvolumen in Gefäßen, Atemfrequenz Hemmende Neurotransmitter Hyperpolarisieren postsynaptische Membran durch Öffnen von K+ und Cl--Kanälen --> Erregungsleitung wird gehemmt  Serotonin: Schlaf-Wach-Rhythmus, Lernvermögen  Endorphine: setzen Schmerzempfinden herab Wirkungsweise Gifte, Medikamente und Suchtmittel Die Inhaltsstoffe von Drogen und Suchtmittel wirken auf unterschiedliche Weise an den Nervenzellen:  Unterbindung oder Beeinflussung der Reizweiterleitung  Veränderung der elektrischen Verhältnisse an den Membranen von Nervenzellen  Verstärkte oder verminderte Ausschüttung von Neurotransmittern Hemmung der Ausschüttung des Transmitters Lähmung der Atem- und Herzmuskulatur, weil dort keine elektrischen Impulse mehr ankommen --> ohne Hilfe kommt es zum Tod Irreparable Entleerung des Transmittern Tod durch Atemlähmung Blockade der Rezeptoren im Bereich der postsynaptischen Membran Tod durch Lähmung der Herz- oder Atemmuskulatur; auch Schmerz stillende Medikamente blockieren Rezeptoren Schädigung der Rezeptoren Nikotin besetzt und schädigt Dopamin-Rezeptoren --> werden empfindlicher und wollen Nachschub von Nikotin Dopamin abbauende Enzyme im synaptischen Spalt werden gehemmt, nach Abbau des Nikotins arbeiten sie aber wieder normal --> Dopaminspiegel wird gesenkt --> neuerliche Zufuhr von Nikotin ist nötig Hemmung der Transmitter spaltenden Enzyme Überreizung der postsynaptischen Nervenzellen Untersuchungsmöglichkeiten Positronen-Emissions-tomografie (PET) Leicht radioaktive Substanzen, die bei ihrem Zerfall Positronen aussenden werden in Glucose eingebaut und die Blutbahn injiziert Computertomografie (CT) Röntgenbilder verschiedener Schnittebenen werden erzeugt --> 3D-Bild kann konstruiert werden Elektroenzephalogramm (EEG) Elektrische Signale, die im Hirn erzeugt werden, haben Wellenform, die aufgezeichnet werden kann Rückenmark Das Rückenmark dient als Schnittstelle zwischen zentralem und peripherem Nervensystem. Aufbau Das Rückenmark liegt gut geschützt im Wirbelkanal der Wirbelsäule. Zwischen zwei Wirbeln entspringt ein Paar Rückenmarksnerven (insgesamt 31) Diese Nerven bilden zusammen mit den Hirnnerven das periphere Nervensystem. Im Inneren des Kanals liegen Nervenzellen mit grauer Substanz mit Nervenzellkörpern schmetterlingsförmig (innen) und weißer Substanz mit Nervenzellfasern mit Myelinschicht (außen) - umgekehrt wie im Gehirn! Schutzstrukturen Bindegewebsschichten (Hirnhäute) wie Gehirn Polsterung durch Fettgewebsschicht und Liquor zwischen Spinngewebshaut und weicher Hirnhaut Aufgaben 1. Weiterleitung von Informationen in das Gehirn und aus dem Gehirn. 2. Ausführung einfacher Reaktionen auf bestimmte Reize in Form von Reflexen. Reflex Ein Reflex ist eine automatische und schnelle Reaktion auf einen Reiz, der keiner bewussten Steuerung oder Beeinflussung unterliegt. Rückenmark ist das Reflexzentrum zur Verarbeitung der Reize. Hier findet die Umschaltung zwischen Nervenzellen statt. Sensorische Nervenbahn, die Information zum ZNS leitet, nennt man afferent. Motorische Nervenbahn, die Information vom ZNS weg leitet, nennt man efferent. Hirnnerven Im Bereich des Hirnstammes treten 12 Nervenpaare aus Vegetatives Nervensystem Sympathicus Nervenfasern treten aus mittlerem Bereich des Rückenmarks aus und bilden Ganglien, die zusammen sympathischen Grenzstrang bilden Selbstständige Regulation ohne willentliche Beeinflussung Überwiegt in körperlichen oder seelischen Stresssituationen (fight-or-flight) Erhöhter Energieverbrauch, erhöhte Leistungsfähigkeit, schnellere Reaktion, erhöhte Aktivität: Neurotransmitter: Acetylcholin und Noradrenalin Parasympathicus Parasympathische Nerven entspringen dem Hirnstamm und aus dem Rückenmark im Bereich der Kreuzbeinwirbel. Reguliert Aktivität der Organe ohne bewusste Beeinflussung (unwillkürlich) Überwiegt bei Ruhe- und Erholungsphasen Nervus vagus (X. Hirnnerv) steuert Aktivität der inneren Organe --> Verdauungstrakt Neurotransmitter: Acetylcholin Auge Sehen findet eigentlich im Gehirn statt. Durch Strukturen des Auges wird Licht wahrgenommen, gebrochen und in Nervenimpulse umgewandelt. Reizverarbeitung Aufnahme des Reizes Jeder Rezeptortyp ist nur für eine Reizart besonders empfindlich. Empfindlichkeit ist situationsabhängig. Reizumwandlung Reizenergie bewirkt Umpolung der Zellmembran der Sinneszelle --> Nervenimpulse Reizverstärkung Energie des Reizes ist meistens zu gering, um im Nervensystem eine Reaktion auszulösen --> Reizenergie wird verstärkt (z.B. Netzhaut) Stärke des Reizes bestimmt die Anzahl der Nervenimpulse Impulsweiterleitung Die Nervenimpulse werden über Nervenfasern in das Gehirn weitergeleitet. Impulsverarbeitung Die In Nervenimpulse umgewandelten Reize werden in verschiedenen Bereichen des Gehirns verarbeitet --> Wahrnehmung von Reizen Schutzeinrichtungen Augenhöhle Ist um einiges größer als Augapfel, um Bewegungsspielraum zu gewährleisten Zwischen Augapfel und knöcherner Augenhöhle Fettgewebsschicht zum Schutz Augenbrauen Schutzwall vor Fremdkörpern und salzigem Stirnschweiß Augenlider “Deckel“ der Augen --> blinzeln ca. 20 mal pro Minute Staubteilchen werden von den Augen abgehalten Tränenflüssigkeit wird ständig über die Augenoberfläche verteilt Wimpern Schutz vor Staub, Schweiß und Fremdkörpern Bindehaut Gefäßreiche Schleimhaut, welche die Augen feucht hält Bedeckt Lederhaut und Innenseite der Augenlider --> Verbindung zwischen Augapfel und -lidern Tränenapparat Besteht aus:  Tränendrüsen o Oberhalb der äußeren Augenwinkel o Erzeugen Tränenflüssigkeit  Tränenwegen Tränenflüssigkeit Enthält Bakterien abtötende Enzyme (z.B. Lysozym) und schwemmt Fremdkörper aus dem Bindehautsack Sammelt sich in den inneren Augenwinkeln --> Tränenkanälchen --> Tränensack --> Tränennasengang --> Nasenhöhle