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Biologie- Klausurvorbereitung />
Themen:
· Aufnahme und Verarbeitung von Sinnenreizen
· Der Lichtsinn
· Das Nervensystem / Reflexe
· Gehirn
· Gedächtnis
Aufnahme und Verarbeitung von Sinnesreizen
- Die Differenz zwischen dem Ruhepotential und dem Membranpotential nach der Erregung nennt man Rezeptorpotential. Je stärker der Reiz, desto größer ist das Rezeptorpotential.
- Man unterscheidet zwischen drei Arten von Sinnesnervenzellen:
Primäre Sinneszelle Sekundäre Sinneszelle Sinnesnervenzelle
Auch bei sehr großen Rezeptorpotentialen entsteht im Zellkörper der primären Sinneszelle kein Aktionspotential. Die Aktionspotentiale entstehen erst im Axon, weil hier die Spannungsgesteurten Natrium- und Kaliumporen sind. Die primäre Sinneszelle verhält sich wie eine normale Nervenzelle.
Sekundäre Sinneszellen bilden keine Aktionspotentiale, da sie keine Axone besitzen. An ihrem Ende befinden sich Ausgangssynapsen, die Transmitter ausschütten und dadurch die nachfolgende Nervenzelle depolarisieren.
- die Frequenz der ausgelösten Aktionspotentiale ist proportional zum Rezeptorpotential, das Rezeptorpotential ist wiederum proportional zum Logarithmus der Reizintensität. Vereinfacht gesagt, ist die Frequenz der Aktionspotentiale proportional zur Reizstärke, d.h.: je größer der Reiz, desto mehr APs entstehen in einer Zeiteinhet.
- Die Frequenz der Aktionspotentiale hängt nicht nur von der Reizstärke, sondern auch von der Reizdauer ab, man unterscheidet hier drei verschiedene Arten von Sinneszellen:
phasische Sinneszelle
Phasisch-tonische Sinneszell
Tonische Sinneszelle
Hier fällt die Frequenz der APs bei gleichbleibendem Reiz schließlich auf Null. Das heißt nach einiger Zeit reagieren die Zellen nicht mehr, wenn der Reiz nicht noch stärker wird.
Hier fällt die Frequenz der APs nach einiger Zeit auf einen konstanten Wert bei gleichbleibendem Reiz. Das Rezeptorpotential ändert sich ebenfalls und wird kleiner.
Hier bleibt die Frequenz der APs immer gleich (deswegen auch tonisch, wie monoton)
- Alle Sinneszellen haben die gleichen Aktionspotentiale, d.h.: sie laufen alle nach dem gleichen Muster ab. Die Empfindung, welche die APs auslösen hängen von der Stelle ab, an der der Reiz auftrat.
- Die Reizintensität, die in der Lage ist ein AP auszulösen, nennt man Reizschwelle.
Lichtsinn
Bau der Netzhaut:
- In der Netzhaut liegen die Sinneszellen(also die Zellen für die optische Wahrnehmung) am weitesten von dem Glaskörper entfernt (Glaskörper · Netzhaut mit den Sinneszellen · Pigmentzellen · Aderhaut)
- Die Netzhaut lässt sich in aufeinanderfolgende Schichte unterteilen:
Ganglienzellen
Leiten die Informationen von den Sehzellen zu dem Gehirn, vereinigen sich zum Sehnerv
Amakrine Zellen
Sorgen für Querverbindungen und Verschaltungen von Ganglienzellen
Bipolarzellen
Jede Bipolarzelle steht auf der einen Seite mit mehreren Sehzellen in Verbindung und mehrere Bipolarzellen stehen wiederum mit ein Ganglienzelle in Verbindung
Horizontalzellen
Sorgen für Querverbindungen und Verschaltungen von Sehzellen
Sehzellen
Zapfen Stäbchen
Dienen dem Farbensehen, reagieren jedoch nicht sehr gut auf schwache Lichtquellen. Die Zapfen sind sehr stark im gelben Fleck versammelt, das ist die Stelle des schärfsten Sehens beim Menschen.
Auf 1 Zapfen kommen
Das System der Stäbchen erkennt keine Farben, ist dafür aber wesentlich lichtempfindlicher als die Zapfen. Die Stäbchen konzentrieren sich an den Rändern der Netzhaut.
18 Stäbchen
- Man erkennt, daß die einzelnen Nervenzellen pyramidenförmig zusammengeschlossen sind, d.h.: eine Ganglienzelle ist mit mehreren Bipolarzellen verbunden, jede Bipolarzelle ist wiederum mit mehreren Sinneszellen (Stäbchen und Zapfen /nicht Zäpfchen :- )).
- Das heißt, daß jede Ganglienzelle von mehreren Sinneszellen (nur diese sind ja lichtempfindlich) Informationen erhält. Das hat den Vorteil, daß auch schwache Lichtreize wahrgenommen werden. Zum Beispiel werden durch einen schwachen Lichtreiz mehrere Sinneszellen erregt, ihre Rezeptorpotentiale (s.o.) zusammengerechnet und können so später ein AP auslösen.
- In dem gelben Fleck ist das Verhältnis von Zapfen und Ganglienzellen 1 : 1, Stäbchen kommen hier überhaupt nicht vor. Das hat zur Folge, daß man einzelne Lichtpunkte getrennt wahrnehmen kann, deshalb ist der gelbe Fleck auch der Bereich des schärfsten Sehens.
Die Vorgänge in den Sehzellen:
Reizaufnahme:
- Die Sehzellen bestehen im allgemeinen aus dem eigentlichen Zellkörper/Innenglied (mit Mitochondrien, Zellkern, Endoplasmatischem Reticulum usw.) und einem Außengleid, welches aus dichten, geordneten Membraneinstülpungen besteht, den sogenannten Discs. Das Außengleid dient der Aufnahme vom Licht, es enthält den Farbstoff, der bei Lichtabsorption zerfällt und wodurch eine Erregung entsteht.
Erregung:
- Licht löst eine Erregung aus, wenn es von einem Farbstoff absorbiert wird.
- Der lichtempfindliche Farbstoff der Stäbchen wird Rhodopsin (Sehpurpur) genannt. Rhodopsin ist ein Chromoprotein, welches aus Retinal( Aldehyd des Vitamins A) und dem Protein Opsin besteht.
- Retinal hat zwei mögliche Raumstrukturen: das 11-cis-Retinal und das all-trans-Retinal. Geht Retinal durch Einwirkung des Lichtes aus dem 11-cis-Retinal in all-trans-Retinal über, so löst es sich vom Opsin, das hat folgende Reaktion zur Folge:
1. Rhodopsin absorbiert ein Photon, das 11-cis-Retinal, welches an dem Opsin gebunden war, ändert die Struktur und geht in all-trans-Retinal über, es löst sich vom Opsin und bewirkt Schritt 2.
2. Das angeregte Rhodopsin aktiviert daraufhin ungefähr 500 Transducin-Moleküle, einen Proteinkomplex, welcher als Enzym wirkt.
3. Ein Transducin-Molekül aktiviert seinerseits 500 Phosphodiesterase Teilchen.
4. Die Phosphodiesterase spaltet das cyclische Guanosinmonophosphat (cGMP), welches die Natriumkanäle im Außenglied der Stäbchen/Zapfen offen hält, zu 5`-GMP.
5. Durch die Spaltung schließen sich die Natriumkanäle, die Zelle wird hyperpolariesiert.
6. Die Ausschüttung von Transmitter an der Synapse (hemmende/inhibitorische Synapse)des Innengliedes wird gehemmt.
7. Das ermöglicht die Entstehung von APs in der Nachfolgenden Nervenzelle (erst die Ganglienzelle, denn die Bipolar und Horizontalzellen sind auch sekundäre Sinneszellen und können keine APs erzeugen), es entsteht ein AP welches zum Gehirn weitergeleitet wird.
8. Das all-trans-Retinal wird zu Retinol(Alkohol) reduziert(das erfolgt durch die Spaltung der Doppelbindung des Sauerstoffs)
9. Es ändert die Raumstruktur zu 11-cis-Retinol und wird oxidiert(erhält ein Elektron)
10. Dadurch entsteht wieder 11-cis-Retinol, welches sich mit Opsin verbindet, was die Öffnung der Natriumkanäle zur Folge hat.
Der Mechanismus wird Sehkaskade genannt, weil ein Photon, eine lavinenartige Reaktion auslöst (1 Photon hat die Schließung von ca. 10^6-10^7 Natriumkanälen zur Folge)
Zeitliches Auflösungsvermögen:
- Ein kurzer Reiz (Lichtblitz) erzeugt ein Rezeptorpotential, welches den Reiz überdauert.
- Folgen mehrere Reize schnell aufeinander, so entsteht ein einheitlicher Eindruck durch die Verschmelzung der Rezeptorpotentiale
- Der Mensch nimmt einzelne Bilder, wenn diese mit einer höheren Frequenz als 16 Bilder pro Sekunde gezeigt werde, als eine fließende Bewegung wahr
- Bei sehr starken und dauerhaften Reizen kann die Empfindung den Reiz um viel längere Zeit überdauern. Wenn man z.B.: lange Zeit eine helle Lampe ansieht und dann die Augen zumacht, sieht man die Lampe eine Zeitlang ach bei geschlossenen Augen(positives Nachbild). Das ist damit zu erklären, daß die Wiederherstellung von 11-cis-Retinal und das Verbinden mit dem Opsin etwas länger dauert und die Sehzellen ihren ursprünglichen Zustand nicht sofort wiederherstellen können, also nach dem Reiz kurze Zeit noch angeregt waren.
Adaption:
- Adaptation ist die Anpassungsfähigkeit an die unterschiedliche Helligkeit des Lichtes.
- Beschreibung des Experimentes zur Bestimmung der Dunkeladaption beim Menschen:
1. Die Versuchsperson wird als erstes intensiver Lichtstrahlung ausgesetzt.
2. Danach schaltet man das Licht ab und projiziert einzelne Lichtpunkte an einen Bildschirm, dabei nimmt die Helligkeit der Punkte immer weiter ab.
3. Es wurden zwei Messungen durchgeführt, die erste mit den Zapfen (die Versuchsperson sah die Lichtpunkte direkt an) und die zweite mit Stäbchen (die Versuchsperson betrachtete den Monitor nur mit der Peripherie des Auges)
- der erste Schritt war notwendig, um Rhodopsin zerfallen zu lassen, beim zweiten Schritt konnte man dann erkennen welche Zeit das Auge braucht, um sich auf die Lichtpunkte einzustellen.
- Bei der Untersuchung stellte man fest, daß die Zäpfchen unter einem bestimmten Helligkeitswert nichts mehr wahrnehmen konnten. Mit den Stäbchen dagegen konnte man auch bei sehr schwachen Lichtverhältnissen noch die schwachen Lichtpunkte erkennen. D.h.: das Stäbchen lichtempfindlicher sind als Zäpfchen, dafür adopiteren sich die Zäpfchen schneller als die Stäbchen.
- Die Dunkeladaption erfordert eine gewisse Zeit, weil am Anfang das Rhodopsin zerfallen sei und lange für die Neusynthese braucht (Rhodopsin wird erst nach dreißig Minuten vollständig synthetisiert)
Das Farbensehen:
- das menschliche Auge ist in der Lage Farben zu erkennen, dabei liegt dem Fabensehen das Prinzip der additiven Farbmischung zu Grunde.
- Man kann weißes Licht in seine Spektralfarben zerlegen, mischt man diese Farben wieder zusammen entsteht weißes Licht, Weiß kann man aber auch durch die Mischung von ROT, GRÜN und BLAU erzeugen, das sind die sogenannten Grund oder Primärfarben.
- Zwei Farben, die sich zu Weiß ergänzen nennt man Komlementärfarben, also z.B.: Purpur und Grün oder Türkis und Rot. Durch Mischung verschiedener Anteile der Grundfarben läßt sich jede beliebige Farbe zusammenmischen
- Aus diesen Tatsachen kann man feststellen, daß unser Auge nur die drei Grundfarben wahrnehmen kann(Young - Helmholtzsche Theorie), dies geschieht mit Hilfe der Zapfen, von denen es drei Arten gibt (für ROT,GRÜN und BLAU). Abhängig von der Wellenlänge des Lichtes zerfällt der eine oder andere Farbstoff mehr oder weniger. Das Licht mit der Wellenlänge 400 regt nur die ,,blauempfindliche\" Zapfen an, das Licht mit der Wellenlänge dagegen alle.
- Die Gegenfarbentheorie von Hering besagt, daß es im Auge mehrere Bereiche gibt, die antagonisch reagieren und zwar für die Farbenpaare BLAU - GELB, GRÜN - ROT und SCHWARZ -WEISS, d.h.: wenn rote Zapfen gereizt werden, werden grüne gleichzeitig gehemmt und umgekehrt. Die Prozesse der Gegenfarbentheorie laufen auf der Ebene der nachgeschalteten Nervenzellen ab und werden durch die laterale Inhibition s.u. verursacht, die Prozesse der Young - Helmholzschen Theorie laufen auf der Ebene der Sinneszellen ab.
- Die drei Zapfenarten reagieren nicht nur auf unterschiedliche Wellenlänge, sondern auch auf unterschiedliche Lichtintensität in verschiedener Weise. Die Blaurezeptoren sind am empfindlichsten.
Das Prinzip der lateralen Inhibition:
- Bei Dauerbelichtung einer Sinneszelle hemmt diese die nebenstehenden Zellen.
- Der Sinn der lateralen Inhibition ist es die Schärfe und den Kontrast zu verbessern, denn eine Sehzelle, die stark beleuchtet wir, hemmt ihre Nachbarzellen auch stark, die schwächer beleuchteten Nachbarstellen hemmen die stark beleuchtete Zelle dagegen schwach. So entsteht ein Kontrast.
- Das Prinzip der lateralen Inhibition kann man sehr gut im hermannschen Gitter beobachten. Da die Kreuzungspunkte von mehreren weißen Linien umgeben sind, werden sie stärker gehemmt und erscheinen uns deswegen grau.
Rezeptives Feld:
- Man bezeichnet eine Gruppe von Sehzellen, die mit einer bestimmten Ganglienzelle verbunden sind, als das rezeptive Feld dieser Ganglienzelle, da jede Sehzelle durch mehrfach Verbindungen und Querverschaltungen (Horizontal und amakrine Zellen) mit mehreren Sehzellen verbunden ist, überlagern sich auch die rezeptiven Felder.
- Es gibt zwei Arten von rezeptiven Feldern, bei dem ersten liegt im Zentrum des rezeptiven Feldes der hemmende und am Rand der erregende Bereich, bei den anderen umgekehrt, d.h.: der erregende liegt im Zentrum und der hemmende in Außenbereich
- Da die rezeptiven Felder sich überlappen, kann man dadurch die laterale Inhibition erklären, das heißt der erregende Außenbereich eines rezeptiven Feldes, ist gleichzeitig der hemmende Bereich eines anderen Rezeptiven Feldes, wird dieser beleuchtet erregt er die eine Gangleinzelle und hemmt gleichzeitig die andere.
Das Nervensystem / Reflexe
Nervensystem:
- Das Nervensystem verarbeitet die von den Sinnesorganen kommenden Informationen und kontroliert die Tätigkeit der Muskeln und Drüsen des Körpers
Nervensystem der wirbellosen Tiere:
- bei höher organisierten Tieren ist die überwiegende Zahl der Nervenzellen in großen Ganglien versammelt.
- Man unterscheidet zwischen dem zentralen und dem peripheren Nervensystem
Zentrales Nervensystem Peripheres Nervensystem
Das Zentralnervensystem (ZNS) besteht aus größeren Ganglien und den Verbindungen zwischen Ihnen. Ganglein erhalten die Zellkörper der Nervenzellen.
Das periphere Nervensystem umfaßt die Gesamtheit aller Nerven, die die Verbindung vom ZNS zur Peripherie des Körpers herstellen und die einige kleine Ganglien, die die inneren Organe innervieren.
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Somatisches Nervensystem
Vegetatives Nervensystem
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Steuert Skelettmuskel und Sinnesorgane
Versorgt/steuert die inneren Organe
- das Nervensystem der Gliedtiere (Insekten) nennt man Strickleiternervensystem. Es enthält für jedes Körpersegment ein Ganglienpaar. Die beiden Ganglein sind durch Kommissur verbinden, die Verbindung zwischen den Ganglienpaaren nennt man Konnektive.
Nervensystem der Wirbeltiere:
- das ZNS besteht aus dem Rückenmark und dem Gehirn
- das ZNS entwickelt sich aus dem Ektoderm. Das hintere Ende des Ektoderms liefert später das Rückenmark, am vorderen Ende entsteht dann später das Gehirn. Das Gehirn aller Wirbeltiere enthält fünf folgende (allerdings verschieden weit entwickelte) Abschnitte: Vorderhirn, Zwischenhirn, Mittelhirn, Kleinhirn, Nachhirn und Rückenmark.
- Der Teil des peripheren Nervensystems, der die Verbindung zu den inneren Organen herstellt, nennt man vegetatives Nervensystem, der Tel, der mit den Skelettmuskeln in Verbindung steht nennt man somatisches Nervensystem.
- Gliazellen sind strahlenförmige Bindegewebszellen, sie schützen die Nervenzellen und versorgen sie mit Nährstoffen.
- Die Axone der Nervenzellen des ZNS nennt man Interneuronen
Vegetatives Nervensystem
- das vegetative Nervensystem steuert die Funktion innerer Organe und ist normalerweise durch den Willen nicht beeinflußbar
- die Zellkörper der Nervenzellen, die die Informationen von den inneren Organen dem ZNS zuleiten nennt man afferente Neuronen, sie liegen in den Spinalganglien der Wirbelsäule.
- Die Zellkörper, die Informationen von dem ZNS zu den inneren Organen leiten nennt man efferente Neuronen. Sie liegen außerhalb des ZNS in sogenannten vegetativen Ganglien. Den efferenten Teil des Nervensystems kann man in zwei weitere Teile unterteilen:
Sympathisches Nervensystem Parasympathisches Nervensystem
Die sympathischen Ganglien liegen in einer Reihe zu beiden Seiten der Wirbelsäule, sie sind untereinander über den Grenzstrang des Sympathikus verbunden. Die Nervenzellen in den sympathischen Ganglien empfangen Befehle von Nervenfasern, die aus dem Rückenmark kommen.Die Axone dieser Nervenfasern ziehen zur glatten Muskulatur aller inneren Organe und zu den Drüsen.
Die parasympathischen Ganglien liegen verstreut in der Nähe der von ihnenversorgten Organe. Sie beziehen ihre Befehle vom ZNS. Mit Ausnahme der Blutgefäße werden alle Organe vom Symphatikus und dem Parasympathikus versorgt.
Rückenmark:
- Das Rückenmark befindet sich in dem Wirbelkanal der Wirbelsäule.
- An einem Querschnitt des Rückenmarks erkennt man die folgende Struktur:
· den Kern des Rückenmarkes bildet die graue Substanz,hier befindensich die Zellkörper
· die graue Substanz ist von der weißen Substanz umgeben, diese beinhaltet die Axone der Nervenzellen
· zwischen je zwei Wirbeln der Wirbelsäule treten Nervenbündel aus, diese nennt man vordere bzw. hintere Wurzel.
· Die vordere Wurzel enthält motorische (efferente), die hintere sensorische (afferente) Axone. Die Zellkörper der motorischen liegen in dem vorderen Teil der grauen Substanz (vorderes Horn), die der sensorischen in der hinteren Wurzel, wo sie einen Spinalganglion bilden.
· Die beiden Wurzeln vereinigen sich zu einem gemischten Nerv. Jeder dieser Nerven ist mit einer bestimmten Körperregion verbunden, d.h.: er enthält von dieser und sendet zu dieser Signale.
· Die Rückenmarksnerven verzweigen sich nach der Wirbelsäule unmittelbar zu dünneren Nerven. Verbinden sich diese Nerven mit den Skelettmuskeln, so sind es die Nerven des sensorischen Nervensystems, verbinden sich die Nerven mit den inneren Organen so zählt man sie zu dem vegetativen Nervensystem.
· Die sensorischen und motorischen Neuronen stehen in dem Bereich der grauen Substanz mit einander in Verbindung. Wird über die sensorischen Nervenbahnen ein Reiz auf die motorischen übertragen, was zu einer Muskelkontrakion oder ähnlichem führt, nennt man das Reflex. Die direkte Verbindung zwischen den motorischen und sensorischen Neuronen nennt man Reflexbogen.
- das Rückenmark leitet die Informationen von allen Sinnesorganen, die außerhalb des Kopfes liegen zum Gehirn.
Reflex
- in jedem Muskel der Wirbeltiere gibt es sogenannte Muskelspindeln
- im Inneren der Muskelspindel liegen einige Muskelfaser sogenannte Spindelmuskeln, diese können vom ZNS über die Gamma - Motoneuronen kontrahiert oder entspannt werden. Die Spindelmuskelfasern können sich nur an ihren Enden kontrahieren, die Mitte bleibt konstant mißt allerdings (mit Hilfe von Sinnesnervenzellen) den Kontraktionszustand der äußeren Teile der Spindelmuskelfasern.
- Nun gibt es zwei mögliche Abläufe:
· der Muskel wird länger (z.B.: bei einer Dehnung)
· die Muskelspindel wird ebenfalls länger, was die Spannung im inneren Teil der Spindelmuskelfaser erhöht, das regt die Sinneszellen an, welche über afferente Bahnen zum ZNS gelangt
· Dort werden die Alfa - Motoneuronen angeregt den Muskel, in dem sich die Muskelspindel befindet zu kontrahieren, dadurch verkürzt sich auch die Spindelmuskelfaser
· höhere Nervenzentren erzeugen die Kontraktion der Gamma - Motoneuronen, wodurch die Spindelfaser gedehnt (!!!) wird, dadurch mißt der mittlere Teil der Muskelspindel eine erhöhte Spannung und veranlasst über Alfa-Motoneuronen die Kontraktion des Muskels, um die ursprüngliche Spannung wiederherzustellen.
- eine direkte Verbindung zwischen den sensorischem Neuron und Motoneuronen bezeichnet man als Monosynaptischenreflexbogen, weil er nur über eine Synapsengruppe läuft
- der häufigere Typ der Reflexbögen ist der polysynaptische Reflexbogen, hier sind zwischen dem sensorischen und motorischen Neuron noch mehrere Interneurone zwischengeschaltet.
- Viele andere Reflexe sind Teile von Regelkreisen, man nennt sie Widerstandsreflexe, weil sie Störungen von außen Widerstand leisten.
Gehirn
· harte Hirnhaut : Schutzfunktion
· Spinngewebshaut = Schutz und Federung
· Großhirn = Denken, Erinnern, bewußte Kontrolle
· Kleinhirn = Bewegungskoordination(unbewußte) und Verarbeitung des Raumgefühls
· Mittelhirn = Leitet die visuellen, akustischen und Tastsinnsignale weiter, steuert die Schlaff/Wachzustände
· Brücke = verbindet die Kleinhirnhemisphären
· Nachhirn = enthält lebenswichtige Reflexe und Automatismen (Atmung/Brechreiz usw)
· Hypophyse = Freisetzung von lebenswichtigen Hormonen (Wachstum,Wasserhaushalt usw.)
· Hypothalamus = Steuerung des Hormonen (der Hypophyse) und Nervensystems
· Thalamus = Verschaltung und Verrechnung der Sinnesreize vor der Weiterleitung an das Großhirn
· Balken = verbindet beide Großhirnhemisphären
Gedächtnis
Kurzeitgedächtnis: Sekunden bis Minuten, begrenzte Informationsmenge. Die Informationen werden nur solange gespeichert, solange sie bewußt sind.
Langzeitgedächtnis:
1. Priming (Wiedererkennen von Reizmustern/Kleinhirn)
2. Prozedurales Gedächtnis (erlernte Handlungs- und Bewegungsabläufe wie Fahrradfahren)
3. Deklaratorisches Gedächtnis (Fach- und Faktenwissen)
4. Autobiographisches Gedächtnis (einzelne Erlebnisse aus dem eigenen Leben/Lebenslauf)
Netzwerktheorie:
Ein Bild wird mit vielen anderen Bildern/ Assoziationen verknüpft. Je mehr Erfahrungen man hat, desto mehr Bilder/ Assoziationen, desto leichter fällt das Erinnern.
Positiver Feedback/Rückkopplung
Afferente Nervenzellen sind untereinander mehrfach verschaltet
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