Neuroanatomie - Exam

Aufgabe 1)

Beschreibe die grundlegende Anatomie des Gehirns sowie die Funktionen der verschiedenen Strukturen. Dein Wissen über die verschiedenen Teile des Gehirns sowie deren spezifischen Aufgaben ist essentiell für die Diagnose und Behandlung neurologischer Erkrankungen.

a)

Erkläre die Funktionen des Großhirns (Cerebrum) und nenne mindestens drei spezifische Aufgaben, die diesem Hirnbereich zugeordnet werden.

Lösung:

• Großhirn (Cerebrum): Das Großhirn ist der größte Teil des Gehirns und ist in zwei Hemisphären unterteilt, die jeweils in vier Hauptlappen gegliedert sind: den Frontallappen, Parietallappen, Temporallappen und Okzipitallappen. Es ist verantwortlich für die Steuerung und Koordination zahlreicher wichtiger Funktionen.
• Funktionen des Großhirns:
  • Motorische Kontrolle: Das Großhirn steuert die bewusste Bewegung des Körpers. Der präzentrale Gyrus im Frontallappen ist für die Planung und Ausführung willkürlicher motorischer Aktivitäten verantwortlich.
  • Sinneswahrnehmung: Verschiedene Bereiche des Großhirns sind für die Verarbeitung sensorischer Information zuständig, z.B. der postzentrale Gyrus im Parietallappen verarbeitet taktile Information (Berührung, Druck, Temperatur).
  • Kognitive Funktionen: Das Großhirn spielt eine zentrale Rolle bei höheren kognitiven Funktionen wie Denken, Lernen, Gedächtnis und Entscheidungsfindung. Diese Prozesse sind oft im Frontallappen verortet.
  • Sprachverarbeitung: Strukturierte Bereiche wie das Broca-Areal und Wernicke-Areal im Temporallappen und Frontallappen sind entscheidend für die Produktion und das Verständnis von Sprache.
  • Visuelle Verarbeitung: Der Okzipitallappen ist hauptsächlich für die Verarbeitung visueller Informationen zuständig.
• Drei spezifische Aufgaben des Großhirns:
  • Sprache und Kommunikation: Steuerung und Verständnis der Sprache durch das Broca- und Wernicke-Areal.
  • Gedächtnisbildung: Speicherung und Abrufen von Informationen, hauptsächlich im Temporallappen.
  • Motorische Bewegung: Koordination und Ausführung von Bewegungen durch den motorischen Kortex im Frontallappen.

b)

Diskutiere die Bedeutung des Kleinhirns (Cerebellum) für die motorische Kontrolle und beschreibe, welche Auswirkungen eine Schädigung des Kleinhirns auf Bewegungen und Gleichgewicht haben könnte.

Lösung:

• Kleinhirn (Cerebellum): Das Kleinhirn befindet sich unterhalb des Großhirns und hinter dem Hirnstamm. Es besteht aus zwei Hemisphären und wird von der Kleinhirnrinde umgeben. Das Kleinhirn spielt eine wichtige Rolle bei der Feinsteuerung und Koordination von Bewegungen sowie der Aufrechterhaltung des Gleichgewichts und der Körperhaltung.
• Bedeutung des Kleinhirns für die motorische Kontrolle:
  • Feinmotorik: Das Kleinhirn sorgt für präzise und harmonische Bewegungen, indem es Signale von anderen Teilen des Gehirns integriert und verfeinert.
  • Koordination: Es koordiniert die Muskelaktivität, um reibungslose, abgestimmte Bewegungen zu ermöglichen. Das Kleinhirn sendet korrigierende Signale an die Motorikzentren, um Bewegungen anzupassen und richtig auszuführen.
  • Gleichgewicht: Das Kleinhirn erhält Informationen von den Sinnesorganen, die mit der Körperposition und dem Gleichgewicht verbunden sind, und hilft dabei, das Gleichgewicht während statischer und dynamischer Aktivitäten aufrechtzuerhalten.
  • Lernprozesse: Es spielt auch eine Rolle beim motorischen Lernen, z. B. das Erlernen neuer Bewegungsabläufe und das Anpassen bestehender Bewegungsmuster durch Übung.
• Auswirkungen einer Schädigung des Kleinhirns:
  • Ataxie: Eine häufige Folge einer Kleinhirnschädigung ist Ataxie, die sich durch unkoordinierte Bewegungen und eine unsichere Gangart äußert. Personen mit Ataxie können Schwierigkeiten haben, präzise Handbewegungen auszuführen oder zu gehen, ohne zu schwanken.
  • Dysmetrie: Betroffene haben Schwierigkeiten, Bewegungen genau zu messen und zu steuern, was zu übermäßigen oder unzureichenden Bewegungen führt. Ein typisches Beispiel ist die Unfähigkeit, einen Finger auf die Nase zu legen, ohne vorbei zu zielen.
  • Hypotonie: Verminderte Muskelspannung kann auftreten, da das Kleinhirn eine Rolle bei der Aufrechterhaltung des Muskeltonus spielt.
  • Gleichgewichtsstörungen: Schwierigkeiten beim Gleichgewicht und der Körperhaltung können auftreten. Personen können Schwierigkeiten haben, gerade zu stehen oder aufzustehen, ohne umzufallen.
  • Tremor: Ein intentioneller Tremor kann auftreten, der bewegungsinduziert wird. Dieser Tremor tritt auf, wenn eine Person versucht, eine gezielte Bewegung auszuführen, wie z. B. das Heben eines Glases Wasser.

c)

Beschreibe die Rolle des Hirnstamms bei der Kontrolle lebenswichtiger Funktionen. Erwähne mindestens zwei spezifische Aufgaben und erläutere, welche Konsequenzen eine Beeinträchtigung des Hirnstamms für den menschlichen Organismus haben könnte.

Lösung:

• Hirnstamm: Der Hirnstamm befindet sich unterhalb des Großhirns und vor dem Kleinhirn. Er besteht aus drei Hauptteilen: dem Mittelhirn (Mesencephalon), der Brücke (Pons) und dem verlängerten Mark (Medulla oblongata). Der Hirnstamm ist für viele automatische und lebenswichtige Funktionen verantwortlich, die das Überleben des Organismus sichern.
• Rolle des Hirnstamms bei der Kontrolle lebenswichtiger Funktionen:
  • Atemregulation: Der Hirnstamm enthält Atemzentren, die die Rate und Tiefe der Atmung steuern. Er erhält sensorische Informationen über den Blutgasspiegel und passt die Atmungsaktivität entsprechend an, um den Sauerstoff- und Kohlendioxidgehalt im Blut zu regulieren.
  • Herz-Kreislauf-Kontrolle: Der Hirnstamm spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung des Herzschlags und des Blutdrucks. Er enthält Zentren, die die Herzfrequenz anpassen, die Blutgefäße verengen oder erweitern und somit den Blutdruck kontrollieren.
  • Sensomotorische Bahnen: Der Hirnstamm dient als Durchgangsstation für sensorische und motorische Neuronen, die Signale zwischen dem Gehirn und dem restlichen Körper leiten.
• Zwei spezifische Aufgaben des Hirnstamms:
  • Reflexzentren: Der Hirnstamm koordiniert einfache Reflexhandlungen wie das Schlucken, Erbrechen und Husten. Diese Reflexe sind essenziell für die Aufrechterhaltung der Atemwege und die Nahrungsaufnahme.
  • Aufrechterhaltung des Bewusstseins und Schlaf-Wach-Zyklus: Im Hirnstamm befindet sich die Formatio reticularis, die eine zentrale Rolle bei der Regulation des Bewusstseins, der Wachheit und der Schlaf-Wach-Zyklen spielt.
• Konsequenzen einer Beeinträchtigung des Hirnstamms:
  • Atemversagen: Da der Hirnstamm die Atmung kontrolliert, kann eine Schädigung dieser Region zu schwerwiegenden Atemproblemen oder sogar zum Atemstillstand führen.
  • Herz-Kreislauf-Probleme: Eine Schädigung des Hirnstamms kann zu abnormalen Herzfrequenzen und Blutdruckschwankungen führen, die lebensbedrohlich sein können.
  • Bewusstlosigkeit und Koma: Schädigungen im Bereich der Formatio reticularis können zu Bewusstseinsstörungen bis hin zum Koma führen.
  • Schluck- und Sprechstörungen: Beeinträchtigungen der Reflexzentren im Hirnstamm können Schwierigkeiten beim Schlucken und bei der Sprachproduktion verursachen, was das Risiko von Aspiration und Ernährungsproblemen erhöht.

d)

Analyisere, wie der Thalamus, Hypothalamus, Amygdala und Hippocampus zur Verarbeitung sensorischer Signale, zur Regulierung von physiologischen Zuständen und zur Gedächtnisbildung beitragen. Vergleiche und kontrastiere ihre jeweiligen Funktionen und betrachte, wie diese Strukturen miteinander interagieren könnten.

Lösung:

• Thalamus: Der Thalamus ist eine zentrale Umschaltstation im Gehirn und liegt direkt über dem Hirnstamm. Er empfängt sensorische Informationen und leitet sie an die entsprechenden Bereiche des Großhirns weiter. Funktionen:
  • Verarbeitung und Weiterleitung sensorischer Signale (z.B. visuelle, auditive und somatosensorische Informationen).
  • Regulation der Aufmerksamkeit und Bewusstseinszustände.
• Hypothalamus: Der Hypothalamus befindet sich unterhalb des Thalamus und ist für die Aufrechterhaltung der Homöostase im Körper verantwortlich. Funktionen:
  • Regulation des autonomen Nervensystems (z.B. Herzfrequenz, Atemfrequenz).
  • Steuerung der Hormonfreisetzung durch die Hypophyse und Regulation des endokrinen Systems (z.B. Stressreaktionen, Wachstum, Fortpflanzung).
  • Regulierung von grundlegenden physiologischen Zuständen wie Hunger, Durst, Schlaf und Körpertemperatur.
• Amygdala: Die Amygdala liegt tief im Temporallappen und ist vor allem für die Verarbeitung von Emotionen und emotionalem Lernen verantwortlich. Funktionen:
  • Verarbeitung und Speicherung emotionaler Erinnerungen.
  • Erkennung und Reaktion auf Bedrohungen (z.B. Angstreaktionen).
  • Modulation des Verhaltens und der sozialen Interaktionen basierend auf emotionalen Bewertungen.
• Hippocampus: Der Hippocampus liegt ebenfalls im Temporallappen und spielt eine entscheidende Rolle bei der Gedächtnisbildung und -konsolidierung. Funktionen:
  • Bildung und Konsolidierung von Langzeitgedächtnis.
  • Räumliche Navigation und Orientierung.
  • Verarbeitung und Integration von Informationen, die für das deklarative Gedächtnis (faktisches Wissen) relevant sind.
• Vergleich und Kontrast der Funktionen:
  • Thalamus vs. Hypothalamus: Während der Thalamus hauptsächlich als Relay-Station für sensorische Signale fungiert, ist der Hypothalamus für die Homöostase und die Regulierung vieler autonomer und endokriner Funktionen verantwortlich.
  • Amygdala vs. Hippocampus: Die Amygdala verarbeitet emotionale Reaktionen und hilft, emotionale Erinnerungen zu speichern, während der Hippocampus wesentlich an der Bildung und Konsolidierung des Langzeitgedächtnisses beteiligt ist.
  • Thalamus vs. Amygdala und Hippocampus: Der Thalamus dient als Eingangstor für sensorische Signale, die dann weiter an die Amygdala und den Hippocampus gesendet werden können, um emotionale Bewertungen und Gedächtnisbildung zu ermöglichen.
  • Hypothalamus vs. Amygdala und Hippocampus: Der Hypothalamus interagiert oft mit der Amygdala, um emotionale und physiologische Reaktionen zu koordinieren (z.B. bei Angst). Der Hippocampus kann Gedächtnisinhalte beeinflussen, die wiederum vom Hypothalamus aktivierte physiologische Zustände modulieren.
• Interaktionen:
  • Der Thalamus leitet sensorische Informationen an die Amygdala und den Hippocampus weiter, die diese Informationen für emotionale Reaktionen und Gedächtnisbildung verwenden.
  • Die Amygdala kann den Hypothalamus aktivieren, um physiologische Stressantworten zu initiieren.
  • Der Hippocampus hilft bei der langfristigen Speicherung von Informationen, die für die emotionale Bewertung durch die Amygdala und die physiologische Regulation durch den Hypothalamus wichtig sind.
  • Der Hypothalamus kann durch Gedächtnisinhalte beeinflusst werden, die vom Hippocampus gespeichert werden, was zu einer Anpassung der physiologischen Zustände führt.

Aufgabe 2)

Neuronen und Gliazellen: Neuronen sind spezialisierte Zellen des Nervensystems, die für die Übertragung von Signalen verantwortlich sind. Sie bestehen aus einem Zellkörper (Soma), Dendriten und einem Axon. Die Stelle der Signalübertragung zwischen Neuronen ist die Synapse. Gliazellen hingegen erfüllen Unterstützungs- und Schutzfunktionen im Nervensystem. Es gibt verschiedene Arten von Gliazellen: Astrozyten, die eine Stütz- und Ernährungsfunktion haben, Oligodendrozyten, die im zentralen Nervensystem (ZNS) für die Myelinisierung verantwortlich sind, Schwann-Zellen, die dieselbe Funktion im peripheren Nervensystem (PNS) erfüllen, und Mikroglia, die für die Immunabwehr im ZNS zuständig sind.

a)

Erläutere die Unterschiede zwischen den Funktionen der Astrozyten und der Oligodendrozyten im zentralen Nervensystem. Gehe dabei auf spezifische Aufgaben der beiden Zelltypen ein und erkläre, wie sie zur allgemeinen Funktion des Nervensystems beitragen.

Lösung:

Unterschiede zwischen den Funktionen der Astrozyten und der Oligodendrozyten im zentralen Nervensystem

• Astrozyten:
  • Stützfunktion: Astrozyten stützen die Neuronen im zentralen Nervensystem (ZNS) und bieten strukturelle Stabilität. Sie sorgen dafür, dass die Neuronen an ihrem Platz bleiben und das neuronale Netzwerk stabil bleibt.
  • Blut-Hirn-Schranke: Astrozyten sind entscheidend für die Bildung und Aufrechterhaltung der Blut-Hirn-Schranke, die das Gehirn vor schädlichen Substanzen im Blut schützt.
  • Nährstoffversorgung: Diese Zellen nehmen Nährstoffe aus dem Blut auf und transportieren sie zu den Neuronen, was für deren Gesundheit und Funktion unerlässlich ist.
  • Regulierung des Ionenhaushalts: Astrozyten regulieren die extrazellulären Konzentrationen von Ionen, insbesondere von Kalium, was essenziell für die Aufrechterhaltung des neuronalen Potenzials und der elektrischen Signalübertragung ist.
  • Neurotransmitterregulierung: Sie nehmen überschüssige Neurotransmitter aus dem synaptischen Spalt auf, was eine Übererregung der Neuronen verhindert und zu einer effizienten Signalübertragung beiträgt.
• Oligodendrozyten:
  • Myelinisierung: Die primäre Funktion der Oligodendrozyten ist die Myelinisierung der Axone im zentralen Nervensystem. Die Myelinscheiden, die sie bilden, erhöhen die Geschwindigkeit und Effizienz der elektrischen Signalübertragung entlang des Axons.
  • Schutzfunktion: Myelinscheiden bieten den Axonen nicht nur elektrische Isolation, sondern auch physischen Schutz vor mechanischen Schäden.
  • Energieversorgung: Oligodendrozyten versorgen die myelinisierten Axone mit Laktat, das als Energielieferant für die Neuronen dient.

Beide Zelltypen tragen entscheidend zur allgemeinen Funktion des Nervensystems bei. Astrozyten gewährleisten eine unterstützende Umgebung für die Neuronen, bieten Nährstoffe, schützen vor schädlichen Stoffen und regulieren das chemische Milieu. Oligodendrozyten hingegen erhöhen die Geschwindigkeit der neuronalen Signalübertragung und bieten Schutz und Energieversorgung für die Axone, was die Gesamtleistung des Nervensystems steigert.

b)

Schritte zur Berechnung der Geschwindigkeit von Nervenimpulsen: Gegeben sei ein myelinisiertes Axon im PNS mit einer Leitungsgeschwindigkeit von 60 m/s. Eine Schwann-Zelle myelinisiert 1 mm des Axons in 0,1 s. Berechne, wie viele Schwann-Zellen benötigt werden, um ein Axon von 1 Meter Länge vollständig zu myelinisieren. Überprüfe Deine Lösung, indem Du die Gesamtzeit berechnest, die alle Schwann-Zellen gemeinsam benötigen.

Lösung:

Schritte zur Berechnung der Anzahl der benötigten Schwann-Zellen

1. Länge des myelinisierten Segments pro Schwann-Zelle: Eine Schwann-Zelle myelinisiert ein Segment des Axons von 1 mm Länge. Das bedeutet, dass eine Schwann-Zelle 0,001 Meter (1 mm) des Axons myelinisiert.
2. Berechnung der Anzahl der benötigten Schwann-Zellen: Da ein Segment von 0,001 Metern von einer Schwann-Zelle myelinisiert wird, können wir die Gesamtzahl der Schwann-Zellen berechnen, die benötigt werden, um ein Axon von 1 Meter zu myelinisieren. \[ \text{Anzahl der Schwann-Zellen} = \frac{1 \text{ Meter}}{0,001 \text{ Meter/Schwann-Zelle}} = 1000 \text{ Schwann-Zellen} \]

Schritte zur Überprüfung der Lösung durch Berechnung der Gesamtzeit

1. Gesamtzeit für die Myelinisierung: Laut der gegebenen Information benötigt eine Schwann-Zelle 0,1 Sekunden, um ein Segment zu myelinisieren. Da alle Schwann-Zellen gleichzeitig arbeiten können, bleibt die benötigte Zeit pro Segment unverändert, egal wie viele Schwann-Zellen beteiligt sind. \[ \text{Gesamtzeit} = 0,1 \text{ Sekunden} \]

Ergebnis

• Es werden 1000 Schwann-Zellen benötigt, um ein Axon von 1 Meter Länge vollständig zu myelinisieren.
• Die Gesamtzeit, die alle Schwann-Zellen gemeinsam benötigen, beträgt 0,1 Sekunden.

Aufgabe 3)

Die effektive Kommunikation zwischen Nervenzellen ist essenziell für die Funktion des Nervensystems und erfolgt durch eine Kombination von elektrischen und chemischen Signalen. Sei es durch die elektrische Signalleitung entlang des Axons mittels eines Aktionspotenzials oder durch die chemische Übertragung an Synapsen mithilfe von Neurotransmittern. Entscheidende Ionen wie Na\textsuperscript{+}, K\textsuperscript{+}, und Ca\textsuperscript{2+} spielen ebenso eine wichtige Rolle in der Entstehung und Weiterleitung dieser Signale. An der synaptischen Übertragung sind unterschiedliche Rezeptorarten beteiligt, die sowohl direkte (ionotrope) als auch indirekte (metabotrope) Wirkungen haben können. Der synaptische Spalt ist der Ort der Neurotransmitterfreisetzung und -bindung, wobei die Reuptake-Mechanismen eine wichtige Funktion bei der Wiederaufnahme der Neurotransmitter in die präsynaptische Zelle haben. Auch Glia-Zellen tragen durch Unterstützung und Modulation zur Signalübertragung bei. Zu den wichtigsten Neurotransmittern gehören Glutamat, GABA, Dopamin, Serotonin und Acetylcholin.

a)

Erkläre den Prozess der synaptischen Übertragung an einer chemischen Synapse, beginnend mit der Ankunft des Aktionspotenzials im präsynaptischen Endknöpfchen bis zur Bindung der Neurotransmitter an den postsynaptischen Rezeptoren. Gehe dabei auf die Rolle von Ca\textsuperscript{2+} ein und beschreibe die Unterschiede zwischen ionotropen und metabotropen Rezeptoren.

Lösung:

• Ankunft des Aktionspotenzials: Das Aktionspotenzial erreicht das präsynaptische Endknöpfchen, was eine Depolarisation der präsynaptischen Membran bewirkt.
• Einströmen von Ca\textsuperscript{2+}: Die Depolarisation öffnet spannungsgesteuerte Calcium (Ca\textsuperscript{2+})-Kanäle, wodurch Ca\textsuperscript{2+}-Ionen in das präsynaptische Endknöpfchen einströmen.
• Freisetzung von Neurotransmittern: Das erhöhte Ca\textsuperscript{2+} in der präsynaptischen Zelle führt dazu, dass synaptische Vesikel mit Neurotransmittern zur Membran wandern und durch Exozytose die Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigeben.
• Diffusion und Bindung: Die Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt und binden an spezifische Rezeptoren in der postsynaptischen Membran.
• Ionotrope Rezeptoren: Ionotrope Rezeptoren sind ligandengesteuerte Ionenkanäle. Die Bindung eines Neurotransmitters an diese Rezeptoren führt zu einer schnellen, direkten Öffnung der Ionenkanäle, wodurch Ionenströme entstehen und das postsynaptische Membranpotenzial verändern.
• Metabotrope Rezeptoren: Metabotrope Rezeptoren sind mit G-Proteinen gekoppelt. Anstatt direkt Ionenkanäle zu öffnen, aktiviert die Bindung eines Neurotransmitters ein G-Protein, das wiederum sekundäre Botenstoffe wie cAMP in der Zelle freisetzt. Diese Botenstoffe können eine Vielzahl von zellulären Reaktionen hervorrufen, einschließlich der Modulation von Ionenkanälen.

b)

Berechne die Geschwindigkeit (in m/s) der elektrischen Signalleitung in einem Axon, wenn die Länge des Axons 1 Meter beträgt und das Aktionspotenzial 5 Millisekunden benötigt, um den gesamten Weg zurückzulegen. Verwende die Formel: \text{Geschwindigkeit} = \frac{\text{Distanz}}{\text{Zeit}}.

Lösung:

Gegeben:

• Länge des Axons (Distanz): 1 Meter
• Zeit, die das Aktionspotenzial benötigt (Zeit): 5 Millisekunden = 5 \times 10^{-3} Sekunden

• \[ \text{Geschwindigkeit} = \frac{\text{Distanz}}{\text{Zeit}} \]

• \[ \text{Geschwindigkeit} = \frac{1 \text{ Meter}}{5 \times 10^{-3} \text{ Sekunden}} \]

• \[ \text{Geschwindigkeit} = \frac{1}{5 \times 10^{-3}} = \frac{1}{0.005} = 200 \text{ Meter pro Sekunde} \]

Aufgabe 4)

Aufbau und Funktion des zentralen NervensystemsZNS besteht aus Gehirn und Rückenmark; verarbeitet Informationen und steuert Körperfunktionen.

• Gehirn: Großhirn, Kleinhirn, Zwischenhirn, Hirnstamm
• Rückenmark: Informationsweiterleitung zwischen Gehirn und peripherem Nervensystem
• Funktion: Sensorische Datenverarbeitung, motorische Steuerung, kognitive Funktionen
• Wichtige Strukturen: Neuronen, Gliazellen, Synapsen
• Synaptische Übertragung: Chemisch (Neurotransmitter) und elektrisch
• Schutzmechanismen: Blut-Hirn-Schranke, Hirnhäute, Liquor cerebrospinalis

a)

• Erkläre die Rolle und die Bedeutung der Blut-Hirn-Schranke im Schutz des zentralen Nervensystems. Nenne zwei Mechanismen, durch die die Blut-Hirn-Schranke ihre Funktion erfüllt.

Lösung:

Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) spielt eine entscheidende Rolle im Schutz des zentralen Nervensystems (ZNS). Ihre Hauptfunktion besteht darin, das Gehirn und das Rückenmark vor potenziell schädlichen Substanzen zu schützen, die über das Blut in das ZNS gelangen könnten. Sie trägt auch dazu bei, eine konstante Gehirnumgebung aufrechtzuerhalten, die für die ordnungsgemäße Funktion der Nervenzellen unerlässlich ist.

Die Blut-Hirn-Schranke erfüllt ihre Schutzfunktion durch folgende zwei Mechanismen:

• Selektive Permeabilität: Die Endothelzellen, die die Kapillaren im Gehirn auskleiden, haben eng verbundene Tight Junctions. Diese strukturelle Besonderheit schränkt den Durchtritt von Substanzen stark ein und erlaubt nur bestimmten Molekülen den Zugang zum Gehirn. Nährstoffe wie Glukose und Aminosäuren gelangen durch spezielle Transportproteine gezielt in das Gehirn, während schädliche Substanzen, Toxine und Mikroorganismen abgehalten werden.
• Aktive Transportmechanismen: Neben der passiven Barrierefunktion verfügt die Blut-Hirn-Schranke auch über spezifische Transportmechanismen. Zum Beispiel werden viele essentielle Stoffe mithilfe von aktiven Transportern über die Blut-Hirn-Schranke hinweg befördert. Ebenso können bestimmte Transporter potenziell schädliche Substanzen aktiv aus dem Gehirn in das Blut befördern, um eine Akkumulation solcher Stoffe im Gehirn zu verhindern.

Durch diese Mechanismen gewährleistet die Blut-Hirn-Schranke den Schutz des ZNS und stellt sicher, dass die neuronale Umgebung optimal für die Funktionsfähigkeit und das Überleben von Nervenzellen bleibt.

b)

• Beschreibe den Weg einer somatosensorischen Information von einem Rezeptor in der Haut bis zu ihrer bewussten Wahrnehmung im Großhirn. Welche Strukturen und synaptischen Übertragungen sind involviert?

Lösung:

Die Übertragung einer somatosensorischen Information von einem Rezeptor in der Haut bis zu ihrer bewussten Wahrnehmung im Großhirn umfasst mehrere Schritte und Strukturen. Hier ist eine detaillierte Beschreibung des Weges:

• Rezeptor in der Haut: Die Reise beginnt mit der Aktivierung eines somatosensorischen Rezeptors in der Haut durch einen Reiz (z.B. Druck, Temperatur, Schmerz). Dieser Rezeptor wandelt den physikalischen Reiz in ein elektrisches Signal, ein sogenanntes Aktionspotenzial, um.
• Peripheres Nervensystem: Das Aktionspotenzial wird über die afferenten Nervenfasern des peripheren Nervensystems weitergeleitet. Diese Nervenfasern gehören zu den sensorischen Neuronen, deren Zellkörper sich im Spinalganglion (Rückenmarksganglion) befinden.
• Rückenmark: Die sensorischen Nervenfasern treten in das Rückenmark ein und die Information wird im Hinterhorn des Rückenmarks zum ersten Mal auf ein zweites Neuron umgeschaltet (synaptische Übertragung). Diese Umschaltung ermöglicht den Transport der Information über aufsteigende Bahnen.
• Aufsteigende Bahnen: Die Information wird durch das Rückenmark und den Hirnstamm über die aufsteigenden sensorischen Bahnen (meistens die Hinterstrangbahnen und das lemniskale System) weitergeleitet. Die Fasern kreuzen sich häufig im Rückenmark oder im Hirnstamm auf die gegenüberliegende Körperseite (Decussatio).
• Thalamus: Die somatosensorische Information erreicht den Thalamus, eine wichtige Relaisstation im Zwischenhirn. Im Thalamus erfolgt eine weitere synaptische Übertragung auf ein drittes Neuron. Der Thalamus filtert und verarbeitet die sensorischen Informationen, bevor sie an das Großhirn gesendet werden.
• Somatosensorischer Kortex: Die letzte Station der Reise ist der primäre somatosensorische Kortex im Großhirn (im Gyrus postcentralis). Im somatosensorischen Kortex wird die Information schließlich verarbeitet und bewusst wahrgenommen. Die genaue Lokalisation der Wahrnehmung erfolgt gemäß der somatotopischen Organisation, bei der verschiedene Bereiche des Körpers bestimmten Regionen im somatosensorischen Kortex zugeordnet sind.

Zusammengefasst durchläuft die somatosensorische Information mehrere Neuronen und synaptische Übertragungen, um vom Rezeptor in der Haut zur bewussten Wahrnehmung im Großhirn zu gelangen:

• Rezeptor in der Haut
• Sensorische Nervenfaser des peripheren Nervensystems (Spinalganglion)
• Rückenmark (erste synaptische Übertragung)
• Aufsteigende Bahnen im Rückenmark und Hirnstamm
• Thalamus (zweite synaptische Übertragung)
• Primärer somatosensorischer Kortex im Großhirn (bewusste Wahrnehmung)

Diese komplexe Verarbeitungskette ermöglicht die präzise Erfassung und Interpretation von somatosensorischen Reizen durch das zentrale Nervensystem.

c)

• Eine Synapse überträgt ein Signal chemisch via Neurotransmitter. Wenn ein präsynaptisches Neuron 2000 Vesikel mit Neurotransmitter pro Sekunde freisetzt und ein Vesikel 10.000 Moleküle Neurotransmitter enthält, wie viele Moleküle Neurotransmitter werden pro Minute freigesetzt? Zeige die Berechnung in detaillierten Schritten.

Lösung:

Um die Anzahl der freigesetzten Neurotransmitter-Moleküle pro Minute zu berechnen, gehen wir in detaillierten Schritten vor:

• Gegebene Informationen:
  • Ein präsynaptisches Neuron setzt 2000 Vesikel mit Neurotransmitter pro Sekunde frei.
  • Ein Vesikel enthält 10.000 Moleküle Neurotransmitter.
• Schritt 1: Berechnung der Anzahl der Moleküle Neurotransmitter pro Sekunde

  Dazu multiplizieren wir die Anzahl der Vesikel pro Sekunde mit der Anzahl der Moleküle pro Vesikel:

  2000 \text{ Vesikel/Sekunde} \times 10.000 \text{ Moleküle/Vesikel} = 20.000.000 \text{ Moleküle/Sekunde}

• Schritt 2: Berechnung der Anzahl der Moleküle Neurotransmitter pro Minute

  Um die Anzahl der Moleküle pro Minute zu berechnen, multiplizieren wir die Anzahl der Moleküle pro Sekunde mit der Anzahl der Sekunden pro Minute (60):

  20.000.000 \text{ Moleküle/Sekunde} \times 60 \text{ Sekunden/Minute} = 1.200.000.000 \text{ Moleküle/Minute}

Zusammenfassend ergibt die Berechnung, dass pro Minute 1.200.000.000 Moleküle Neurotransmitter freigesetzt werden.