Fachmodul Neurobiologie I - Cheatsheet

Ruhepotenzial und Aktionspotenzial

Definition:

Ruhepotenzial: Membranpotenzial einer unerregten Nervenzelle, typischerweise bei ca. -70 mV. Aktionspotenzial: Kurzzeitige Umkehr des Membranpotenzials nach Depolarisation.

Details:

• Ruhepotenzial durch K\textsuperscript{+}-Leak-Kanäle und Na\textsuperscript{+}/K\textsuperscript{+}-ATPase aufrechterhalten
• Ruhepotenzial berechenbar mit Nernst-Gleichung:

Synaptische Übertragung und Neurotransmitter

Definition:

Prozess, bei dem Nervenzellen elektrische oder chemische Signale durch synaptischen Spalt übertragen, um Kommunikation zwischen Neuronen zu ermöglichen.

Details:

• Elektrische Synapsen: Direkte leitende Verbindung durch Gap Junctions
• Chemische Synapsen: Signalübertragung durch Neurotransmitter
• Freisetzung von Neurotransmittern in synaptischen Spalt
• Bindung an Rezeptoren der postsynaptischen Membran
• Exzitatorische vs. inhibitorische Neurotransmitter
• Wichtige Neurotransmitter:
  • Acetylcholin
  • Dopamin
  • Serotonin
  • GABA
  • Glutamat
• Signalbeendigung durch Wiederaufnahme oder enzymatische Abbau

Langzeitpotenzierung und -depression

Definition:

Langzeitpotenzierung (LTP) und Langzeitdepression (LTD): physiologische Prozesse zur Verstärkung bzw. Abschwächung synaptischer Übertragung.

Details:

• LTP: Steigerung der synaptischen Effizienz nach hoher Aktivität.
• LTD: Verringerung der synaptischen Effizienz nach niedriger Aktivität.
• LTP: Abhängig von NMDA-Rezeptoren und Ca²⁺-Einstrom.
• LTD: Meist durch AMPA-Rezeptor-Dephosphorylierung und Endozytose bedingt.
• Beide Mechanismen sind zentral für synaptische Plastizität und Lernprozesse.

Signaltransduktion und second messenger

Definition:

Signaltransduktion: Umwandlung eines äußeren Signals in eine zelluläre Antwort. Second Messenger: Kleine Moleküle, die das Signal innerhalb der Zelle weiterleiten.

Details:

• Signaltransduktion beginnt an einem Rezeptor (z.B. G-Protein-gekoppelte Rezeptoren oder Rezeptor-Tyrosinkinasen)
• Aktivierte Rezeptoren initiieren eine Kaskade intrazellulärer Reaktionen
• Second Messenger Beispiele: cAMP, Ca²⁺, IP₃
• cAMP: Synthese durch Adenylatcyclase, aktiviert Proteinkinase A (PKA)
• Ca²⁺: Freisetzung aus dem endoplasmatischen Retikulum, aktiviert Calmodulin und andere Enzyme
• IP₃: Entsteht durch Phospholipase C, bewirkt Ca²⁺-Freisetzung
• Zelluläre Reaktionen: Genexpression, Proteinsynthese, Metabolismus, Zellwachstum und -differenzierung

Neuronale Plastizität und Synapsenstärke

Definition:

Neuronale Plastizität beschreibt die Fähigkeit des Gehirns, seine Struktur und Funktion in Reaktion auf Erfahrungen anzupassen. Synapsenstärke bezieht sich auf die Effizienz der Signalübertragung an den Synapsen zwischen Neuronen.

Details:

• Langzeitpotenzierung (LTP) und Langzeitdepression (LTD) sind Schlüsselmechanismen der neuronalen Plastizität.
• LTP erhöht die Synapsenstärke durch vermehrte Neurotransmitterausschüttung und Rezeptordichte.
• LTD verringert die Synapsenstärke durch verminderte Neurotransmitterausschüttung und Rezeptordichte.
• Hauptprozesse: synaptische Vesikel, Rezeptoren (z.B. AMPA und NMDA), second messenger (z.B. Ca²⁺).
• Hebb'sche Regel: “Neurons that fire together wire together.”
• Mathematische Darstellung der synaptischen Gewichtsänderung: \[ \frac{dW}{dt} = \frac{1}{\tau} (\text{Pre-Post} - W) \]

Photorezeptoren und visuelle Verarbeitung

Definition:

Photorezeptoren sind spezialisierte Zellen in der Netzhaut, die Licht in elektrische Signale umwandeln. Visuelle Verarbeitung umfasst die Verarbeitung und Interpretation dieser Signale im Gehirn.

Details:

• Arten von Photorezeptoren: Stäbchen (empfindlich für Helligkeit, Schwarz-Weiß-Sehen), Zapfen (Farberkennung)
• Transduktionsprozess: Licht trifft auf Rhodopsin in Stäbchen, aktiviert G-Protein (Transducin), cGMP-Spiegel sinkt, Na+-Kanäle schließen, Hyperpolarisation
• Verteilung: Stäbchen sind in der Peripherie der Netzhaut häufiger, Zapfen in der Fovea konzentriert
• Visuelle Verarbeitung: Retinotopie in primärem visuellen Kortex (V1), Verarbeitung von Merkmalen wie Kanten, Bewegung und Farbe
• Signalweg: Photorezeptoren → Bipolarzellen → Ganglienzellen → Optischer Nerv → Lateraler Kniehöcker (LGN) → Visueller Kortex

Mechanorezeptoren und auditives System

Definition:

Mechanorezeptoren und auditives System: Sensoren, die mechanische Veränderungen registrieren und leiten; relevant für Gehör und Gleichgewicht.

Details:

• Mechanorezeptoren: registrieren mechanische Reize wie Druck, Vibrationen, und Dehnungen.
• Auditorisches System: wandelt Schallwellen in elektrische Signale um.
• Haarzellen im Innenohr: zentrale Rolle, wandeln mechanische Bewegung der Basilarmembran in neuronale Signale um.
• Cochlea: Schnecke im Innenohr, wichtig für Frequenzunterscheidung.
• Mechanotransduktion: Umwandlung mechanischer Reize in elektrische Signale durch Ionenkanäle.
• Tonotopie: systematische Anordnung der Frequenzwahrnehmung entlang der Cochlea.
• Hörbahn: Signalverarbeitung von Cochlea über Hirnstamm, Mittelhirn bis zum auditorischen Cortex.
• Gleichgewichtssystem: Einsatz von Mechanorezeptoren in Vestibularapparat zur Erfassung von Kopfbewegungen und -position.

Chemorezeptoren und olfaktorische Wahrnehmung

Definition:

Chemorezeptoren detektieren chemische Reize. Olfaktorische Wahrnehmung = Geruchssinn durch Bindung von Duftmolekülen an spezifische Rezeptoren in der Nase.

Details:

• Olfaktorische Rezeptoren: G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs)
• Liganden (Duftmoleküle) binden an Rezeptoren -> Konformationsänderung
• Aktivierung von Adenylylcyclase -> cAMP-Anstieg -> Öffnung von Ionenkanälen -> Rezeptorpotenzial
• Signalweiterleitung: Riechkolben -> Riechhirn (Olfaktorischer Cortex)
• Verschiedene Rezeptoren kombinatorisch aktiviert -> Vielzahl von Gerüchen erkannt