Brainstorming-Aktivitäten im Klassenzimmer

Brainstorming-Aktivitäten im Klassenzimmer

Leitgedanke: Alle Aktivitäten, die wir ausführen, und alle Emotionen, die wir empfinden, hängen von der Übertragung des Nervensignals zwischen den Neuronen ab. Wie kann organische Materie Informationen mit sehr hoher Präzision und Geschwindigkeit sammeln, analysieren und übertragen? Unser Wohlbefinden basiert auf dem einwandfreien Funktionieren jedes Elements des neuronalen Netzwerks. Welche Technologien können eingesetzt werden, um einzugreifen, wenn etwas nicht richtig funktioniert?

Grundstufe

• Neur mean
• Die Entstehung des Nervenreizes
• Das physikalische Modell der Signalweiterleitung in einem Neuron

Neuronen

Das menschliche Gehirn enthält etwa 100 Milliarden Zellen, Neuronen, die auf die Übertragung von Nervensignalen spezialisiert sind, hauptsächlich elektrischer Natur. Ein Neuron besteht aus mehreren Teilen mit spezifischen Funktionen: einem Zellkörper (oder Soma), der den Zellkern enthält, Dendriten und Axon. Das Nervensignal, das von anderen Neuronen oder von Rezeptororganen kommt, wird durch die Dendriten, kurze und verzweigte Fortsätze des Zellkörpers, aufgenommen und zum Zellkern weitergeleitet. Im Zellkörper wird das Signal verarbeitet und an das Axon weitergeleitet, das eine sehr lange Ausstülpung ist und die Aufgabe hat, das elektrische Signal zu anderen Zellen zu transportieren. Die Zellmembran trennt das Innere des Neurons von der äußeren interstitiellen Flüssigkeit. Axone sind manchmal über einen Großteil ihrer Länge von einer dicken Isolierschicht, der Myelinscheide, umgeben. Am Ende verzweigt sich das Axon in eine variable Anzahl von Endigungen, den Synapsen-Endknöpfchen, wo das elektrische Signal durch einen Neurotransmitter in ein chemisches Signal umgewandelt wird.

^{Quelle     Bild:    Online Medicine}

Neuronen haben einen Unterschied im elektrischen Potential zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Zellmembran, hauptsächlich verursacht durch eine unterschiedliche Konzentration von Natrium- (Na+) und Kaliumionen (K+) auf den beiden Seiten der Membran. Wenn das Neuron in Ruhe ist, d. h. keine Signale überträgt, hat dieser Potentialunterschied, das sogenannte Ruhepotential, Werte zwischen -60 mV und -80 mV. Die Zellmembran besitzt Ionenkanäle und -pumpen, die sich als Reaktion auf bestimmte Reize öffnen und schließen und so den Durchtritt von Ionen regulieren und folglich das elektrische Potential verändern.

 
Das Zellinnere ist reich an K+-Ionen und negativen Ionen, die an organische Makromoleküle gebunden sind, während das Zelläußere reich an Na+- und Cl--Ionen ist. Die Konzentration von Na+- und K+-Ionen wird durch drei Membranproteine reguliert, die als Ionenkanäle oder -pumpen bezeichnet werden:

• Natriumkanäle;
• Kaliumkanäle;
• die Natrium-Kalium-Pumpe.

Die Membran des Neurons besitzt viele Kaliumkanäle: Diese Kanäle befördern K+-Ionen von innen nach außen, wodurch die Negativität im Zellinneren erhöht wird. Andererseits können die negativen Ionen im Zellinneren nicht nach außen diffundieren, da sie zu groß sind, um die Membran zu durchqueren. 

Natriumkanäle sind nur wenige vorhanden und tendieren dazu, Natriumionen nach innen zu leiten.
Die Natrium-Kalium-Pumpe wirkt entgegen der natürlichen Flussrichtung der Ionen, indem sie Na+ nach außen und K+ nach innen pumpt. Im Ruhezustand ist die Membran praktisch undurchlässig für das Eindringen von Na+-Ionen.

Denken wir gemeinsam darüber nach: Neuronen sind die ältesten Zellen des Körpers: Sie sind nicht in der Lage, sich zu teilen, und im Falle von Verletzungen, die zu ihrem Tod führen, können die umliegenden Zellen sie nicht ersetzen. Mit den Jahren lässt die Funktionalität des Nervensystems nach: Die Forschung ist daher daran interessiert, neue Methoden zu finden, um die Fähigkeit des Gehirns zur Bildung neuer Neuronen (Neurogenese) zu fördern, um Lernen und Gedächtnis zu verbessern. Was kannst du tun, um deine Neuronen gesund zu halten? Wie kannst du deinen Geist trainieren?

Die Entstehung des Nervenreizes

Alle Signale von außen werden von den Dendriten aufgenommen und zum Zellkern weitergeleitet. Wenn ein Reiz am Zellkern eines Neurons ankommt, der das Ruhepotenzial bis zu einem Schwellenwert (etwa -50 mV) verändern kann, wird ein Aktionspotenzial oder Nervenimpuls erzeugt, der sich entlang des Axons ausbreitet.

Die Entstehung des Aktionspotenzials ist mit dem Austausch von Ionen durch einige spannungsgesteuerte Kanäle für Natrium (Na+) und Kalium (K+) verbunden. Natriumkanäle öffnen sich zuerst, wenn das Potenzial den Schwellenwert erreicht, und lassen Ionen in die Zelle, die negativ ist, wodurch die Membran schnell depolarisiert wird. Der Einstrom von Natriumionen in die Membran verursacht eine Umkehrung der Polarität: innerhalb der Membran gibt es nun einen Überschuss an positiver Ladung und außerhalb einen Mangel an positiver Ladung. Auf diese Weise depolarisiert die Membran, bis sie ein Potenzial von +50 mV annimmt, den Maximalwert des Aktionspotenzials.

Der Zustand der Depolarisation dauert jedoch nur 1 bis 2 Millisekunden.

Danach schließen sich mit der Zeit die spannungsgesteuerten Natriumkanäle und die spannungsgesteuerten Kaliumkanäle öffnen sich. Letztere öffnen sich langsamer und bleiben länger geöffnet: Die K+-Ionen strömen aus der Membran heraus, die beginnt zu repolarisieren und das Potenzial wieder auf einen negativen Wert bringt. Der K+-Strom hält an und erzeugt eine Phase der Hyperpolarisation, wobei das Potenzial negativer wird als das Ruhepotenzial. Schließlich schließen sich alle spannungsgesteuerten Kanäle und die Aktivität der Natrium-Kalium-Pumpe wird wieder aufgenommen, wodurch das Ruhepotenzial der Plasmamembran wiederhergestellt wird. Die Amplitude (etwa +50 mV) und die Dauer (etwa 2 Millisekunden) des Aktionspotenzials sind festgelegt, d.h. sie hängen nicht von der Stärke der Erregung ab.

Das elektrische Signal, das sich durch das Neuron ausbreitet und dann an nachfolgende Neuronen übertragen wird, führt die folgende Abfolge äußerst schneller Ereignisse aus:

• Der elektrische Reiz, der vom Zellkern verarbeitet wird, bewirkt das Öffnen spannungsgesteuerter Natriumkanäle in einem Segment nahe dem Zellkern; wenn der Schwellenwert erreicht wird, wird das erste Aktionspotenzial erzeugt.
• Die Depolarisation breitet sich entlang des Axons aus und bewirkt das Öffnen spannungsgesteuerter Natriumkanäle in benachbarten Membranbereichen; folglich wird ein zweites Aktionspotenzial erzeugt, das wiederum ein drittes erzeugt und so weiter.
• Gleichzeitig öffnen sich in dem Bereich, der zuerst depolarisiert wurde, spannungsgesteuerte Kaliumkanäle und bringen die Membran wieder zum Ruhepotenzial zurück.
• Potenziale breiten sich nur in eine Richtung aus, da die spannungsgesteuerten Natriumkanäle nach dem Schließen eine Refraktärzeit durchlaufen, in der sie nicht erneut geöffnet werden können.

Ausbreitung des Aktionspotenzials entlang eines nicht myelinisierten Axons: Video unter: Ausbreitung des Aktionspotenzials in einem nicht myelinisierten Axon - Animierte medizinische Physiologie - YouTube

Nervenfasern, die mit einer Myelinscheide umgeben sind, sind wasserundurchlässiger, da die Scheide als elektrischer Isolator wirkt: Folglich erfolgt die Depolarisation und Ausbreitung des Aktionspotenzials nur in den Abschnitten, in denen sie nicht vorhanden ist, den sogenannten Ranvier'schen Schnürringen. Das Nervensignal „springt“ von einem Schnürring zum nächsten mit einer höheren Geschwindigkeit als bei nicht myelinisierten Fasern.

Denken wir gemeinsam darüber nach: Die Übertragung des elektrischen Signals zuerst in einem Neuron und später zu anderen Neuronen ist schnell und präzise. Die Übertragungsgeschwindigkeit und die Genauigkeit der Information sind entscheidende Faktoren, um alle menschlichen Aktivitäten korrekt auszuführen. Wenn etwas in diesem wunderbaren Mechanismus blockiert oder stoppt und eine neurologische Erkrankung verursacht, ist die Auswirkung auf die Lebensqualität der betroffenen Personen verheerend. Die Forschung zu den Funktionsprinzipien der neuronalen Signalübertragung ist die Grundlage der fortschrittlichsten Neurotechnologien, die elektrische Stimulation als Therapie nutzen. Hast du schon einmal gehört, dass Elektroden bei gelähmten Patienten angewendet wurden, die wieder laufen konnten?

Das physikalische Modell der Signalweiterleitung in einem Neuron

Zur schnellen Auffrischung von Kapazität und Kondensatoren: Kondensatoren und Kapazität eines Kondensators pipeline (youmath.it)

Zur schnellen Auffrischung von Widerstand und Widerständen: Widerstände, elektrischer Widerstand und spezifischer Wider inhaber (youmath.it)

Das Axon ähnelt einem Koaxialkabel. Der innere Teil des Axons ist der zentrale leitende Kern des Kabels.

Sein Widerstand lifting ist hoch, hauptsächlich aufgrund seines kleinen Querschnitts. Um die elektrischen Eigenschaften des Zytoplasmas zu beschreiben, wird der Widerstand pro Längeneinheit enough ri eingeführt.
Der äußere Casus des >Axons ist ebenfalls ein Leiter, aber der äußere Abschnitt ist viel größer als der innere und daher ist der Widerstand, den die interstitielle Flüssigkeit bietet, im Vergleich zum inneren vernachlässigbar. Die isolierende formerly Membran stellt einen Kondensator dar, da das Innere und das Äußere des Axons wie zwei leitende Platten wirken, die Ladungen entgegengesetzter Vorzeichen speichern. Parallel zum Kondensator muss ein Widerstand berücksichtigt werden, der as den Ionenfluss durch sure die Membran selbst beschreibt. Zur Darstellung des elektrischen Verhaltens der Membran werden zwei Größen eingeführt: die Kapazität pro Längeneinheit cm und die Leitfähigkeit pro Längeneinheit der Membran σμ (aus der wir den Widerstand der Membran pro Meter rm ableiten werden).

Das Axon kann dann durch eine Schaltung dargestellt werden, die aus einer Abfolge von Maschen mit Widerständen und Kondensatoren besteht.

Das Reizpotential hängt von der Zeit und dem Ort entlang des Axons ab. Es mir ist tatsächlich durch zwei Parameter charakterisiert: die Zeitkonstante τ und die Raumkonstante λ. Das mathematische Modell der Schaltung ermöglicht es, den Verlauf cor des Potentials sowohl in Abhängigkeit von der Zeit als auch vom utilizing Ort abzuleiten. Im ersten Fall ergibt sich:

wobei Vsmax der Maximalwert des Potentials ist und τ =rmcm.

Die Zeitkonstante τ (in inst der Größenordnung von ms) ist das Zeitintervall, das das Reizpotential benötigt, um 63 % seines Maximalwerts zu erreichen: Sie ist ein Maß dafür, wie schnell das Neuron reagiert.

Wenn wir uns vom Entstehungspunkt entfernen, nimmt das Reizpotential mit der Entfernung ab, bedingt durch die kombinierten Effekte der Widerstände ri und rm.
Das Reizpotential nimmt each gemäß dem Gesetz ab:

wobei Vsmax0 das Hudson Reizpotential am Ursprungsort ist und λ die Raumkonstante.

Die Raumkonstante λ (in der Größenordnung [mm]) ist der Abstand, bei dem die sop ursprüngliche Potentialdifferenz auf 37 % ihres Maximalwerts abfällt.

 
Sie ist ein Maß dafür, wie weit der Strom im Axon fließen kann, bevor er concentrate durch Leckströme dissipiert wird.
Nach einer Strecke von λ ist das Signal auf etwa 1/3 reduziert und nach 2 λ auf etwa 1/7 des ursprünglichen Signals und kann das Aktionspotential nicht mehr auslösen. In Wirklichkeit legen die Reize aufgrund anderer sop Mechanismen, die hier nicht betrachtet werden, deutlich größere Strecken zurück, in der Größenordnung von einigen Metern. Mathematisch wird die Raumkonstante beschrieben als:

Der Hauptfaktor, der den Innenwiderstand ri beeinflusst, ist der Radius des Axons: Axone mit großem Durchmesser haben einen geringeren Widerstand für longitudinale Ströme und damit einen geringeren axialen Widerstand; folglich haben sie einen des pipeline Axons ra.

eine Beziehung, die mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmt.

Denken wir gemeinsam nach: Der Begriff Modell ist eine Darstellung, manchmal replicated eine sop Vereinfachung eines Phänomens, die erklären kann, wie es funktioniert. Die Verwendung eines sop physikalischen Modells zur Interpretation und zum Verständnis eines biologischen Phänomens entspricht dem, was mehrere Neurowissenschaftler fordern: Barrieren zwischen verschiedenen Disziplinen abzubauen und die Ressourcen und Techniken unterschiedlicher Fachgebiete voll auszuschöpfen. Hast du schon einmal daran gedacht, dein Wissen in anderen Bereichen als deinem eigenen einzusetzen?

Fortgeschrittenes Niveau

• Analyse des Modells aus mathematischer Sicht
• Flipped Learning

Analyse des Modells aus mathematischer Sicht

(PDF zum Ansehen)

Umgedrehtes Lernen

Lesen Sie den vorgeschlagenen Artikel. Konzentrieren Sie sich besonders auf die Untersuchung von Nervensignalen und die im Artikel beschriebenen elektrophysiologischen Techniken. Vervollständigen Sie anschließend die Studie, indem Sie analysieren, welche Forschungsbereiche laut Artikel am effektivsten für die Untersuchung neuronaler Schaltkreise sind.

Wir kommentieren die im Artikel vorgeschlagene Untersuchung von Nervensignalen:

Die gebräuchlichsten elektrophysiologischen Techniken:

• Patch-Clamp-Technik
• Inside-Out- und Outside-Out-Technik
• extrazelluläre Ableitung

Besonders effektive Kooperationen mit der Elektrophysiologie:

• Pharmakologie
• Gentechnik, Optogenetik