Praktikum Neurophysiologie - Exam

Aufgabe 1)

Hirnstammreflexe sind automatische und unwillkürliche Reaktionen des Körpers, die durch den Hirnstamm vermittelt werden. Diese Reflexe sind grundlegende, angeborene Reaktionen, die eine wichtige Rolle in der Regulation von Körperfunktionen wie Atmung und Kreislauf spielen. Zu den Hirnstammreflexen gehören unter anderem der Kornealreflex (Lidschlussreflex), der vestibulookuläre Reflex, der Masseterreflex und der Pharyngealreflex (Würgereflex). Der Reflexweg dieser Reflexe besteht aus Afferenzen, einem Reflexzentrum im Hirnstamm und Efferenzen.

a)

Subexercise 1: Beschreibe den Ablauf des Kornealreflexes (Lidschlussreflex) im Detail. Gehe dabei auf die beteiligten Afferenzen, das Reflexzentrum und die Efferenzen ein.

Lösung:

Subexercise 1: Beschreibe den Ablauf des Kornealreflexes (Lidschlussreflex) im Detail. Gehe dabei auf die beteiligten Afferenzen, das Reflexzentrum und die Efferenzen ein.

• Afferenzen: Der Kornealreflex beginnt, wenn die Hornhaut (Kornea) des Auges durch einen Reiz, wie zum Beispiel Berührung, Luftzug, oder eine chemische Substanz, stimuliert wird. Die sensorischen Informationen werden von den Rezeptoren in der Hornhaut erfasst und über den Nervus ophthalmicus, einen Ast des Nervus trigeminus (V. Hirnnerv), zum Hirnstamm geleitet.
• Reflexzentrum: Im Hirnstamm werden die sensorischen Informationen im Trigeminuskern (Nucleus spinalis nervi trigemini) verarbeitet. Dieser Bereich des Hirnstamms fungiert als das Reflexzentrum für den Kornealreflex.
• Efferenzen: Nach der Verarbeitung der Informationen im Trigeminuskern werden motorische Befehle über den Nervus facialis (VII. Hirnnerv) zu den Muskeln des Augenlids weitergeleitet. Hauptsächlich ist der Musculus orbicularis oculi beteiligt, welcher für den Lidschluss verantwortlich ist. Der Reflex löst somit das Schließen des Augenlids als Schutzmechanismus aus, um die Hornhaut vor Schäden zu bewahren.

b)

Subexercise 2: Beim vestibulookulären Reflex wird die Augenbewegung stabilisiert, während der Kopf sich bewegt, um das Sehen zu ermöglichen. Erkläre den physiologischen Mechanismus dieses Reflexes und nenne die beteiligten Gehirnstrukturen. Berechne zudem, wie sich die Frequenz (in Hz) eines vestibulären Reizes ändern würde, wenn die Geschwindigkeit der Kopfbewegung sich verdoppelt und die Entfernung konstant bleibt. Gehe von einer ursprünglichen Frequenz von 2 Hz aus.

Lösung:

Subexercise 2: Beim vestibulookulären Reflex wird die Augenbewegung stabilisiert, während der Kopf sich bewegt, um das Sehen zu ermöglichen. Erkläre den physiologischen Mechanismus dieses Reflexes und nenne die beteiligten Gehirnstrukturen. Berechne zudem, wie sich die Frequenz (in Hz) eines vestibulären Reizes ändern würde, wenn die Geschwindigkeit der Kopfbewegung sich verdoppelt und die Entfernung konstant bleibt. Gehe von einer ursprünglichen Frequenz von 2 Hz aus.

• Mechanismus: Der vestibulookuläre Reflex (VOR) stabilisiert das Bild auf der Netzhaut, indem er Augenbewegungen erzeugt, die der Kopfbewegung entgegengesetzt sind. Dies geschieht durch eine schnelle und präzise Anpassung der Augenposition, um die visuelle Fixierung auf ein Objekt zu erhalten, während der Kopf bewegt wird.
• Beteiligte Gehirnstrukturen: Die beteiligten Strukturen umfassen:
• Die Vestibularorgane im Innenohr (Bogengänge, Utriculus und Sacculus), die Kopfbewegungen erkennen.
• Die vestibulären Kerne im Hirnstamm, die die sensorischen Signale verarbeiten.
• Der Fasciculus longitudinalis medialis (FLM), der die Verbindung zu den Augenmuskelkernen herstellt.
• Die Augenmuskelkerne (Nuclei nervorum oculomotoriorum), die die motorischen Signale zu den Augenmuskeln senden.
• Berechnung der Frequenzänderung: Wenn die Geschwindigkeit der Kopfbewegung sich verdoppelt, verdoppelt sich auch die Frequenz des vestibulären Reizes, da die Frequenz direkt proportional zur Geschwindigkeit der Kopfbewegung ist.
• Ursprüngliche Frequenz: 2 Hz
• Verdoppelte Geschwindigkeit: 2 * 2 Hz = 4 Hz
• Ergebnis: Die Frequenz des vestibulären Reizes würde sich von 2 Hz auf 4 Hz ändern.

Aufgabe 2)

Stellen Sie sich vor, Ihnen wird ein neuronales Netzwerk in einem Tiermodell gezeigt, bei dem das Lernverhalten untersucht wird. Ein Forscher hat dieses Modell verwendet, um die Rolle verschiedener Neurotransmitter und ihrer Rezeptoren zu erforschen.

Im Rahmen dieser Studie wurde insbesondere der Einfluss des NMDA-Rezeptors auf Glutamat untersucht, um besser zu verstehen, wie Lern- und Gedächtnisprozesse in diesem Modell ablaufen.

a)

a) Erläutere die Unterschiede zwischen ionotropen und metabotropen Rezeptoren. Gehe dabei sowohl auf die Mechanismen ihrer Funktionsweise ein, als auch auf die zeitlichen Unterschiede ihrer Signalweiterleitung. Beschreibe mindestens zwei Beispiele für jeden Rezeptortyp.

Lösung:

Unterschiede zwischen ionotropen und metabotropen Rezeptoren

• Mechanismen der Funktionsweise:
  • Ionotrope Rezeptoren: Diese Rezeptoren sind ligandengesteuerte Ionenkanäle. Wenn ein Neurotransmitter (Ligand) an den Rezeptor bindet, führt dies zur sofortigen Öffnung des Kanals, wodurch Ionen in oder aus der Zelle strömen können. Dieser ionische Fluss führt zu einer schnellen Veränderung des Membranpotentials und somit zu einer schnellen Signalweiterleitung.
  • Metabotrope Rezeptoren: Bei diesen Rezeptoren handelt es sich um G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, die nach Bindung des Neurotransmitters eine Signalkaskade durch das G-Protein initiieren. Diese Signalkaskade kann verschiedene intrazelluläre Effekte hervorrufen, wie die Aktivierung oder Hemmung von Enzymen und die Freisetzung von sekundären Botenstoffen. Diese Prozesse sind komplexer und langsamer im Vergleich zu ionotropen Rezeptoren.
• Zeitliche Unterschiede der Signalweiterleitung:
  • Ionotrope Rezeptoren: Sie vermitteln schnelle synaptische Antworten innerhalb von wenigen Millisekunden. Dies liegt daran, dass der direkte Ionenfluss durch den Kanal nach der Ligandenbindung sofort erfolgt.
  • Metabotrope Rezeptoren: Diese Rezeptoren vermitteln langsamere synaptische Antworten, die von Sekunden bis Minuten dauern können. Der Grund hierfür ist die Notwendigkeit einer Signalkaskade innerhalb der Zelle, die mehr Zeit in Anspruch nimmt.
• Beispiele:
  • Ionotrope Rezeptoren:
    • NMDA-Rezeptor: Ein Beispiel für einen ionotropen Glutamatrezeptor, der an Lern- und Gedächtnisprozessen beteiligt ist.
    • AMPA-Rezeptor: Ein weiterer ionotroper Glutamatrezeptor, der schnelle synaptische Übertragung vermittelt.
  • Metabotrope Rezeptoren:
    • mGluR1 bis mGluR8: Diese Rezeptoren sind metabotrope Glutamatrezeptoren, die in verschiedenen neuronalen Prozessen eine Rolle spielen.
    • GABA_B-Rezeptoren: Dies sind metabotrope Rezeptoren für den Neurotransmitter GABA, die inhibierende Effekte in Nervenzellen vermitteln.

b)

b) Der NMDA-Rezeptor ist ein spezieller Typ eines ionotropen Glutamatrezeptors. Erkläre die Besonderheiten des NMDA-Rezeptors in Bezug auf Lerneffekte und Gedächtnisbildung. Welche Rolle spielen dabei Agonisten und Antagonisten? Gehe auch auf die biochemischen Mechanismen ein, die dabei eine Rolle spielen.

Berechne basierend auf der Michaelis-Menten-Gleichung, wie sich die Reaktionsgeschwindigkeit (v) in Abhängigkeit von der Substratkonzentration (S) und der maximalen Geschwindigkeit (V_max) verändert, wenn die Substratkonzentration auf das Doppelte und auf das Vierfache des K_m-Wertes erhöht wird. Die Michaelis-Konstante (K_m) ist der Substratwert, bei dem die Reaktionsgeschwindigkeit halbmaximal ist.

Die Michaelis-Menten-Gleichung lautet:

\[ v = \frac{{V_{\text{max}} \cdot [S]}}{{K_{m} + [S]}} \]

Lösung:

Besonderheiten des NMDA-Rezeptors in Bezug auf Lerneffekte und Gedächtnisbildung

• Neuronale Plastizität: Der NMDA-Rezeptor spielt eine zentrale Rolle bei der synaptischen Plastizität, insbesondere bei der Langzeitpotenzierung (LTP). LTP ist ein Mechanismus, durch den die synaptische Übertragung zwischen zwei Neuronen verstärkt wird, was als molekulare Grundlage für Lernen und Gedächtnisbildung dient.
• Spannungs- und ligandengesteuerte Aktivierung: Im Gegensatz zu anderen ionotropen Rezeptoren ist der NMDA-Rezeptor sowohl ligandengesteuert als auch spannungsgesteuert. Dies bedeutet, dass die Bindung von Glutamat (der Ligand) und eine ausreichende postsynaptische Depolarisation notwendig sind, um den Kanal zu öffnen und Calciumionen (Ca²⁺) frei durch die Membran zu lassen.
• Calciumionen: Die Durchlässigkeit des NMDA-Rezeptors für Ca²⁺ ist besonders wichtig, da Ca²⁺ als sekundärer Botenstoff fungiert und verschiedene Signalkaskaden auslöst, die zur Verstärkung der Synapsen führen.
• Agonisten und Antagonisten:
  • Agonisten: Substanzen, die den NMDA-Rezeptor aktivieren. Dadurch können die LTP und die damit verbundenen Lernprozesse verstärkt werden. Ein bekanntes Beispiel ist Glycin, das als Co-Agonist für den NMDA-Rezeptor fungiert.
  • Antagonisten: Substanzen, die die Aktivität des NMDA-Rezeptors hemmen. Diese können die synaptische Plastizität und damit die Lern- und Gedächtnisprozesse beeinträchtigen. Ein Beispiel ist das Medikament Ketamin, das als NMDA-Antagonist wirkt.

Berechnung der Reaktionsgeschwindigkeit basierend auf der Michaelis-Menten-Gleichung

Die Michaelis-Menten-Gleichung lautet:

v = \frac{{V_{\text{max}} \times [S]}}{K_{\text{m}} + [S]}

• Wenn [S] = 2K_m:

Setze [S] = 2K_m in die Michaelis-Menten-Gleichung ein:

v = \frac{{V_{\text{max}} \times 2K_{\text{m}}}}{K_{\text{m}} + 2K_{\text{m}}} = \frac{{2V_{\text{max}} \times K_{\text{m}}}}{3K_{\text{m}}} = \frac{{2V_{\text{max}}}}{3}

• Wenn [S] = 4K_m:

Setze [S] = 4K_m in die Michaelis-Menten-Gleichung ein:

v = \frac{{V_{\text{max}} \times 4K_{\text{m}}}}{K_{\text{m}} + 4K_{\text{m}}} = \frac{{4V_{\text{max}} \times K_{\text{m}}}}{5K_{\text{m}}} = \frac{{4V_{\text{max}}}}{5}

Zusammengefasst:

• Wenn die Substratkonzentration [S] das Doppelte von K_m beträgt, ist die Reaktionsgeschwindigkeit v = \frac{{2V_{\text{max}}}}{3}.
• Wenn die Substratkonzentration [S] das Vierfache von K_m beträgt, ist die Reaktionsgeschwindigkeit v = \frac{{4V_{\text{max}}}}{5}.

Aufgabe 3)

Du bist im Praktikum Neurophysiologie und führst eine EEG-Aufnahme durch. Zur Vorbereitung solltest Du die grundlegenden Aspekte der EEG-Techniken und -Protokolle kennen. Stell Dir vor, Du hast ein EEG-Gerät vor Dir und möchtest eine Aufzeichnung durchführen, um die verschiedenen Hirnwellen bei einem Probanden zu analysieren. Beachte die Platzierung der Elektroden, Unterschiede in den Ableitungen, und die notwendige Filterung der Signale sowie mögliche Artefakte. Schließlich sollst Du die Signale mittels Fourier-Transformation analysieren.

a)

a) Beschreibe das 10-20-System zur Platzierung der Elektroden auf der Kopfhaut. Warum ist dieses System standardisiert und welche Vorteile bietet es?

Lösung:

a) Das 10-20-System zur Platzierung der Elektroden auf der Kopfhaut:

Das 10-20-System ist ein international standardisiertes Verfahren zur Platzierung von Elektroden auf der Kopfhaut für die Elektroenzephalographie (EEG). Es basiert darauf, dass der Kopf in Bezug zu prominenten anatomischen Landmarken vermessen wird. Hier sind die wichtigsten Aspekte:

• Landmarken: Die Hauptpunkte sind das Nasion (der Punkt zwischen der Stirn und der Nase), das Inion (der Knochenmark am hinteren Teil des Kopfes), und die Präaurikulärpunkte (die Punkte vor den Ohren).
• Abstände: Die Elektroden werden in Abständen von 10% oder 20% der Gesamtdistanz zwischen diesen Landmarken platziert.
• Kennzeichnung: Die Elektrodenpositionen haben spezifische Bezeichnungen, die den Bereichen des Gehirns entsprechen, z.B. 'F' für Frontal, 'T' für Temporal, 'C' für Central, 'P' für Parietal, und 'O' für Occipital. Die rechte Seite des Kopfes wird durch gerade Zahlen und die linke durch ungerade Zahlen repräsentiert (z.B., F3, F4).

Gründe für die Standardisierung:

• Vergleichbarkeit: Das 10-20-System ermöglicht eine konsistente Platzierung der Elektroden, was den Vergleich von EEG-Daten zwischen verschiedenen Untersuchungen und laboratories erleichtert.
• Reproduzierbarkeit: Die Standardisierung erhöht die Reproduzierbarkeit der Aufnahmen, da die Elektroden immer an den gleichen relativen Positionen auf der Kopfhaut angebracht werden.
• Klinische Anwendung: Ärzte und Forscher können bestimmte Elektrodenpositionen spezifischen Hirnregionen zuordnen und somit gezielter diagnostizieren und therapieren.
• Einfache Kommunikation: Die eindeutigen Bezeichnungen und Positionen erleichtern die Kommunikation von Befunden und Vorgehensweisen zwischen Fachleuten.

b)

b) Unterschiedliche Hirnwellen, wie Alpha-, Beta-, Theta- und Delta-Wellen, haben charakteristische Frequenzbereiche. Definiere diese Frequenzbereiche und erläutere ihre spezifische Bedeutung oder in welchen Zuständen des Gehirns diese Wellen vorherrschen.

Lösung:

b) Unterschiedliche Hirnwellen:

Die Hirnwellen sind elektrische Aktivitäten des Gehirns, die in verschiedenen Frequenzbereichen auftreten. Diese Bereiche geben Hinweise auf die verschiedenen Zustände des Gehirns. Hier sind die Haupttypen von Hirnwellen mit ihren charakteristischen Frequenzbereichen und ihren spezifischen Bedeutungen:

• Delta-Wellen (δ):
• Frequenzbereich: 0.5 - 4 Hz
• Bedeutung: Delta-Wellen sind vor allem während des tiefen, traumlosen Schlafs (NREM-Schlaf) vorherrschend. Sie sind entscheidend für die Erholung und Regeneration des Körpers.
• Theta-Wellen (θ):
• Frequenzbereich: 4 - 8 Hz
• Bedeutung: Theta-Wellen treten im leichten Schlaf, bei tiefer Entspannung und während der Phase unmittelbar vor dem Einschlafen (Hypnagogie) auf. Sie sind mit Kreativität, Intuition und innerer Ruhe verbunden.
• Alpha-Wellen (α):
• Frequenzbereich: 8 - 13 Hz
• Bedeutung: Alpha-Wellen sind im entspannten Wachzustand oder bei geschlossenen Augen dominant. Sie sind häufig mit einem Zustand von körperlicher und geistiger Ruhe assoziiert.
• Beta-Wellen (β):
• Frequenzbereich: 13 - 30 Hz
• Bedeutung: Beta-Wellen sind mit aktiver geistiger Tätigkeit, Konzentration, und Aufmerksamkeit verbunden. Sie treten in Phasen intensiven Denkens, Problemlösens und bei bewusster Verarbeitung von Sinneseindrücken auf.

Ergänzend gibt es auch Gamma-Wellen:

• Gamma-Wellen (γ):
• Frequenzbereich: 30 - 100 Hz
• Bedeutung: Gamma-Wellen sind mit hoher kognitiver Leistung, intensiver Konzentration und der Verarbeitung komplexer Informationen verbunden. Sie treten auf, wenn verschiedene Hirnregionen synchronisiert arbeiten.

Durch die Analyse dieser Frequenzbereiche mittels Fourier-Transformation kann man die verschiedenen Zustände des Gehirns und dessen Aktivitäten besser verstehen und diagnostizieren.

c)

c) In Deinem Experiment hast du das EEG-Signal aufgezeichnet und möchtest nun die Daten analysieren. Du entscheidest Dich für die Fourier-Transformation (FFT). Erkläre das Prinzip der Fourier-Transformation. Wie kannst Du diese Transformation anwenden, um Frequenzkomponenten der EEG-Signale zu identifizieren? Berechne die Fourier-Transformation einer simplen Sinuswelle \(x(t) = A \sin (2 \pi f t)\), wobei A=1 und f=10 Hz ist.

Lösung:

c) Prinzip der Fourier-Transformation und deren Anwendung im EEG:

Die Fourier-Transformation (FT) ist ein mathematisches Verfahren, das dazu dient, ein zeitbasiertes Signal in seine Frequenzkomponenten zu zerlegen. Sie transformiert eine Funktion aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich. Dadurch kann man besser verstehen, welche Frequenzen in einem Signal enthalten sind. Für digitale Signalanalysen wird oft die schnelle Fourier-Transformation (FFT) verwendet, da sie die Berechnung effizienter macht.

Die Fourier-Transformation einer kontinuierlichen Funktion x(t) ist definiert als:

\[ X(f) = \int_{-\infty}^{\infty} x(t) e^{-i2\pi ft} \, dt \]

und die inverse Fourier-Transformation als:

\[ x(t) = \int_{-\infty}^{\infty} X(f) e^{i2\pi ft} \, df \]

Hierbei ist i die imaginäre Einheit.

Anwendung bei EEG-Signalen:

• Spektralanalyse: Durch die Anwendung der FFT auf ein EEG-Signal kannst Du die verschiedenen Frequenzkomponenten identifizieren. Dies ist besonders wichtig, um die typischen Hirnwellen (Alpha, Beta, Theta, Delta) zu erkennen und deren Aktivitäten in verschiedenen Zuständen des Probanden zu analysieren.

• Artefakterkennung: Artefakte, die durch Augenbewegungen, Muskelaktivitäten oder externe Störungen entstehen, haben oft spezifische Frequenzbereiche. Durch die Analyse des Frequenzspektrums kann man diese Artefakte identifizieren und ggf. filtertechnisch entfernen oder berücksichtigen.

Berechnung der Fourier-Transformation einer simplen Sinuswelle:

Betrachte die Funktion:

\[ x(t) = A \sin(2\pi ft) \]

mit \( A = 1 \) und \( f = 10 \, \text{Hz} \). Wir setzen:

\[ x(t) = \sin(20\pi t) \]

Die Fourier-Transformation einer Sinuswelle ergibt zwei Dirac-Delta-Funktionen bei den Frequenzen \( +f \) und \( -f \):

\[ X(f) = \frac{1}{2i} \left[ \delta(f - 10) - \delta(f + 10) \right] \]

Das bedeutet, dass das Frequenzspektrum der Sinuswelle Peaks bei \( f = 10 \, \text{Hz} \) und \( f = -10 \, \text{Hz} \) aufweist. Diese Peaks repräsentieren die Frequenzkomponenten der Sinuswelle.

Durch die Anwendung der Fourier-Transformation auf das aufgezeichnete EEG-Signal kannst Du die enthaltenen Frequenzkomponenten identifizieren. So lassen sich die Aktivitätsmuster der verschiedenen Hirnwellen erkennen und analysieren.

d)

d) EEG-Signale sind häufig durch Artefakte wie Augenbewegungen oder Muskelaktivität gestört. Welche Methoden kannst Du anwenden, um diese Artefakte zu minimieren oder zu entfernen? Nenne und erkläre mindestens zwei verschiedene Techniken.

Lösung:

d) Methoden zur Minimierung oder Entfernung von Artefakten in EEG-Signalen:

EEG-Signale sind oft durch verschiedene Artefakte wie Augenbewegungen, Muskelaktivitäten oder externe Störungen verfälscht. Hier sind zwei gängige Techniken zur Minimierung oder Entfernung solcher Artefakte:

• Independent Component Analysis (ICA):

Die ICA ist eine statistische Methode, die genutzt wird, um unabhängige Quellen aus gemischten Signalen zu extrahieren. Im Kontext von EEG bedeutet das, dass man die verschiedenen Signalquellen im EEG-Datensatz trennt und dadurch Artefakte isolieren und entfernen kann.

• Anwendung:
• 1. Die EEG-Daten werden in eine Matrixform gebracht, wobei jede Zeile einer Ableitung entspricht.
• 2. Mithilfe eines ICA-Algorithmus werden die Quellen (komponentenunabhängige Signale) berechnet.
• 3. Die Komponenten, die Artefakte wie Augenbewegungen oder Muskelaktivitäten enthalten, werden identifiziert und entfernt oder korrigiert.
• 4. Die restlichen unabhängigen Komponenten werden wieder zu einem sauberen EEG-Signal zusammengesetzt.
• Regressionstechniken:

Regressionstechniken sind weit verbreitete Methoden zur Korrektur von Artefakten, die auf bekannten Störsignalen basieren. Ein typisches Beispiel ist die Augenkorrektur.

• Anwendung:
• 1. Erfassen der Störsignale: Separate Elektroden, wie EOG-Elektroden (Elektrookulogramm), werden verwendet, um Augenbewegungen und Blinzeln aufzuzeichnen.
• 2. Schätzen der Artefakte: Die aufgezeichneten Störsignale werden verwendet, um die Artefakte in den EEG-Daten zu schätzen.
• 3. Regression: Eine lineare Regression wird angewendet, um den geschätzten Artefaktanteil von den EEG-Daten zu subtrahieren und so die Artefakte zu korrigieren.

Weitere Methoden:

• Frequenzfilterung: Frequenzfilter, wie Hochpass-, Tiefpass- oder Bandsperrfilter, werden verwendet, um bestimmte Frequenzbereiche aus den EEG-Daten zu entfernen. Diese Methode ist nützlich, um Artefakte, die in bekannten Frequenzbereichen auftreten, zu eliminieren, z.B. Netzbrummen (50/60 Hz).
• Signal-Segmentierung und Interpolation: Durch die visuelle Inspektion können Abschnitte des EEG-Signals, die durch Artefakte stark gestört sind, identifiziert werden. Diese Abschnitte können entweder verworfen oder durch Interpolation aus den benachbarten Signalen rekonstruiert werden.

Durch die Anwendung dieser Methoden können die Artefakte in den EEG-Daten minimiert oder entfernt werden, was zu präziseren und verlässlicheren Analysen führt.

Aufgabe 4)

Motorische Ausgänge und Reaktionsmuster der Hirnstammreflexe: Der Hirnstamm spielt eine zentrale Rolle bei der Steuerung von reflexartigen Bewegungen und ist für essentielle Komponenten des unbewussten motorischen Verhaltens verantwortlich. Er steuert grundlegende Reflexe, wie Schlucken und Husten, über motorische Bahnen, die zu den Muskeln führen. Zu den wichtigen Reflexen gehören der Kornealreflex, der Masseterreflex und der Pupillenreflex. Die Reflexbögen verlaufen dabei vom sensorischen Input, über den Hirnstamm, zum motorischen Output. Funktionsprüfungen dieser Reflexe können mit einem Reflexhammer oder durch Lichtreize durchgeführt werden.

a)

Beschreibe anhand eines Reflexbogens, wie der Kornealreflex auf der Ebene des Hirnstamms abläuft. Welche Strukturen sind beteiligt und welche Schritte folgen auf die Aktivierung des sensorischen Inputs?

Lösung:

• Sensorischer Input: Der Kornealreflex wird durch eine Berührung oder Reizung der Hornhaut (Kornea) des Auges ausgelöst. Diese Reizung wird durch sensible Nervenfasern des Nervus ophthalmicus (ein Ast des Nervus trigeminus, also des V. Hirnnervs) wahrgenommen.
• Weiterleitung des Reizes: Die sensorischen Signale der Reizung werden über den Nervus ophthalmicus zum Ganglion trigeminale (Gasser-Ganglion) und weiter zum sensorischen Hauptkern des Nervus trigeminus im Hirnstamm geleitet.
• Verarbeitung im Hirnstamm: Im Hirnstamm, insbesondere im pons, wird die Information im Trigeminus-Komplex weiterverarbeitet. Es erfolgt eine Aktivierung der Interneuronen, die die Information an den motorischen Kern des Nervus facialis (VII. Hirnnerv) weiterleiten.
• Motorischer Output: Vom motorischen Kern des Nervus facialis laufen die motorischen Nervenfasern zu den Augenlidmuskeln, insbesondere zum Musculus orbicularis oculi.
• Reaktion: Die Kontraktion des Musculus orbicularis oculi führt zum Lidschluss, wodurch das Auge geschützt wird. Dieser Vorgang ist der eigentliche Kornealreflex.
• Zusammenfassung der Schritte:
  • Reizung der Kornea
  • Sensorische Weiterleitung über den Nervus ophthalmicus
  • Prozessierung im sensorischen Kern des Nervus trigeminus
  • Schaltung über Interneuronen
  • Aktivierung des motorischen Kerns des Nervus facialis
  • Motorische Reizleitung zu den Augenlidmuskeln
  • Schutzreflex durch Lidschluss

b)

Wähle einen der genannten Reflexe (Schlucken, Husten, Masseterreflex oder Pupillenreflex) und erläutere detailliert die motorischen Ausgänge und deren Wege zu den entsprechenden Muskeln. Nutze dabei sowohl anatomische als auch physiologische Aspekte.

Lösung:

• Ausgewählter Reflex: Pupillenreflex
• Anatomische Aspekte:
  • Sinnesorgane: Die Pupille und die Iris des Auges.
  • Sensorischer Input: Eine Änderung der Lichtintensität wird von den Photorezeptoren (Stäbchen und Zapfen) in der Retina wahrgenommen. Diese Informationen werden über den Nervus opticus (II. Hirnnerv) zum Gehirn geleitet.
  • Zentrale Verarbeitung: Die Signale gelangen zunächst zum Corpus geniculatum laterale im Thalamus und von dort zu den visuellen Kortikalen Regionen. Ein Teil der Signale wird jedoch direkt zum Edinger-Westphal-Kern (einer speziellen parasympathischen Nucleus des Nervus oculomotorius, III. Hirnnerv) im Mittelhirn geleitet.
• Physiologische Aspekte:
  • Reflexbogen: Der direkte Pupillenreflexbogen beginnt mit der Aktivierung der Photorezeptoren durch Licht. Diese Signale werden über den Nervus opticus weitergeleitet. Ein Teil der Fasern des Nervus opticus kreuzt im Chiasma opticum, während andere unverkreuzt bleiben, wodurch Informationen von beiden Augen sowohl in die rechte als auch in die linke Hirnhälfte übermittelt werden. Die Signale erreichen den Edinger-Westphal-Kern, der eine parasympathische Antwort auslöst.
  • Motorischer Output: Der Edinger-Westphal-Kern sendet präganglionäre parasympathische Fasern über den Nervus oculomotorius zu den Ziliarganglien. Von dort laufen postganglionäre Fasern zu den Muskeln der Iris, insbesondere zum Musculus sphincter pupillae.
  • Reaktion: Die Kontraktion des Musculus sphincter pupillae verkleinert die Pupille (Miosis), wodurch der Lichteinfall ins Auge reduziert wird. Dies schützt die Retina vor übermäßiger Lichtintensität.
  • Zusammenfassung der Schritte:
    • Lichteinfall auf die Retina
    • Sensorische Weiterleitung über den Nervus opticus
    • Prozessierung im Corpus geniculatum laterale und direkter Transfer zum Edinger-Westphal-Kern
    • Aktivierung der parasympathischen Nervenfasern
    • Übertragung zum Ziliarganglion
    • Motorische Reizleitung zu den Pupillenmuskeln
    • Miosis als Reflexreaktion

c)

Ein Patient zeigt eine merkliche Abweichung in einem der Reflexe, die Du untersucht hast. Entwickle einen Diagnoseansatz, der die Funktionsprüfung der spezifischen Reflexe und mögliche neurologische Tests zur Lokalisation der Schädigung umfasst. Welche zusätzlichen Untersuchungen würdest Du vorschlagen?

Lösung:

• Diagnoseansatz:Um eine genaue Diagnose zu erstellen, ist es wichtig, eine systematische Untersuchung des spezifischen Reflexes durchzuführen, bei dem der Patient eine Abweichung zeigt. Nehmen wir als Beispiel den Kornealreflex.
• Funktionsprüfung des Kornealreflexes:Um den Kornealreflex zu prüfen, berührt der Untersucher sanft die Kornea des Patienten mit einem Wattestäbchen oder einem Streifen Papier. Normalerweise sollte dies einen prompten Lidschluss durch die Kontraktion des Musculus orbicularis oculi auslösen.
• Beobachtete Abweichungen: Wenn der Lidschluss fehlt oder vermindert ist, deutet dies auf eine mögliche Schädigung entlang des Reflexbogens hin.
• Neurologische Tests zur Lokalisation der Schädigung:
  • Untersuchung des Nervus trigeminus (V. Hirnnerv): Prüfung der Sensibilität im Gesicht (Stirn, Wange, Kinn).
  • Untersuchung des Nervus facialis (VII. Hirnnerv): Überprüfung der Motorik im Gesicht, wie z.B. Schließen der Augen, Stirnrunzeln, Lächeln.
  • Hirnstamm-Bildgebung: Einsatz von MRT oder CT zur Untersuchung struktureller Anomalien oder Läsionen im Hirnstamm, insbesondere im Bereich des pons.
  • Elektromyographie (EMG): Messung der Muskelaktivität im Musculus orbicularis oculi zur Bestätigung der Denervierung oder neuromuskulären Dysfunktion.
• Zusätzliche Untersuchungen:
  • Elektroneurographie (ENG): Überprüfung der Leitfähigkeit der Nervenbahnen des Nervus trigeminus und des Nervus facialis.
  • Blutuntersuchungen: Ausschluss systemischer Erkrankungen, die periphere Neuropathien verursachen könnten (z.B. Diabetes, Autoimmunerkrankungen).
  • Neurologische Untersuchung: Umfassende neurologische Untersuchung zur Überprüfung anderer Hirnnerven und zum Ausschluss von Polyneuropathien oder systemischen neurologischen Störungen.
  • Liquoruntersuchung: Analyse der Hirnflüssigkeit auf Anzeichen von Entzündungen oder Infektionen, falls eine zentrale Ursache vermutet wird.
• Zusammenfassung:Ein systematischer Ansatz zur Diagnose umfasst die spezifische Funktionsprüfung des betroffenen Reflexes, neurologische Tests zur Lokalisation der Schädigung, und weitere ergänzende Untersuchungen wie Bildgebung, Elektromyographie und Blutuntersuchungen. Dies ermöglicht eine gezielte Identifikation der Ursache und eine entsprechende Behandlung des Patienten.