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GrundlagenFunktionelle Neuroanatomie und -physiologie

Stefan Lang

Interdisziplinares Zentrum fur wissenschaftliches RechnenUniversitat Heidelberg

SS 2012

Stefan Lang (IWR) Numer. Simulation i. d. Neurowissenschaften SS 2012 2 / 28

Grundlagen Funktionelle Neuroanatomie und -physiologie

MRT-Aufnahmen des menschlichen Gehirns

Magnetic Resonance Tomography (MRT)

Sagittalschnitt Coronalschnitt

Graue und weie Hirnsubstanz (grey/white matter) differenzierenGebiete mit Nervenzellkorpern und Leitungsbahnen

Stefan Lang (IWR) Numer. Simulation i. d. Neurowissenschaften SS 2012 3 / 28

Grundlagen Funktionelle Neuroanatomie und -physiologie

Das Gehirn: Mensch vs. Ratte

Menschliches Gehirn mit Hirnhaut Gehirn der Ratte

Stefan Lang (IWR) Numer. Simulation i. d. Neurowissenschaften SS 2012 4 / 28

Grundlagen Funktionelle Neuroanatomie und -physiologie

Anatomischer Aufbau des Wirbeltiergehirns

Das weitgehend bilateralsym-metrische Zentralnervensystembesteht aus sieben Hauptteilen

Grohirn (Telencephalon) Zwischenhirn

(Diencephalon)

Mittelhirn (Mesencephalon) Kleinhirn (Cerebellum) Brucke (Pons) verlangertes Ruckenmark

(Medulla Oblongata)

Ruckenmark (Spinal Cord)

Stefan Lang (IWR) Numer. Simulation i. d. Neurowissenschaften SS 2012 5 / 28

Grundlagen Funktionelle Neuroanatomie und -physiologie

Funktionelle Grobgliederung

Charakterisierung der 4 Hauptteile: Grohirn: 2 Hemispharen durch corpus callosum verbunden, stark

gefaltet oder gefurcht, 2-4 mm dick, 2 1010 Neuronen. Rindenfelder:primare Felder verarbeiten Wahrnehmungen, Assoziationsfelderstimmen Funktionen aufeinander ab. Bestimmte Bereiche sind aufverschieden Aufgaben spezialisiert, Organisationsprinzip:Parallelverarbeitung (Redundanz).

Kleinhirn: 2 Hemispharen, Gleichgewicht, Bewegungskoordination,Lernvorgange, bei Tieren oft starker entwickelt.

Zwischenhirn: Steuerungsaufgaben. Thalamus: Mittler sensibler und motorischer Signale. Hypothalamus: korperliche und psychische Lebensvorgange. Subthalamus: Grobmotorik. Epithalamus: Tag-Nacht und jahreszeitliche Rhythmen.

Hirnstamm: Pons, (verlangertes) Ruckenmark, Verschaltung vonSensorik und Motorik, elementare und reflexartigeSteuermechanismen.Stefan Lang (IWR) Numer. Simulation i. d. Neurowissenschaften SS 2012 6 / 28

Grundlagen Funktionelle Neuroanatomie und -physiologie

Funktionelle Gliederung der Grohirnrinde

Zuordnung der Fahigkeiten zuHemispharen

Abbildung der Korperteile auf dieGrohirnrinde

Stefan Lang (IWR) Numer. Simulation i. d. Neurowissenschaften SS 2012 7 / 28

Grundlagen Funktionelle Neuroanatomie und -physiologie

Lokalisation von Fahigkeiten

Direkte funktionelle Zuordnung nicht moglich. Verhalten (kognitive Leistungen) wird durch das Zusammenspiel von meist

mehreren Zentren gebildet.

Diese Zuordnung ist wandelbar, das Gehirn ist kein statisches Organ,sondern besitzt eine ausgepragte Fahigkeit zur Reorganisation.

Beispiel: Worte horen, lesen, sprechen, vorstellen

Cathy Price, HaSm Hosp., London

PET-Technik zur Bestimmung von auditorischen Zentren

Stefan Lang (IWR) Numer. Simulation i. d. Neurowissenschaften SS 2012 8 / 28

Grundlagen Funktionelle Neuroanatomie und -physiologie

Pathologische Veranderungen des Gehirns

NeurodegenerativeKrankheitsbilder:

Parkinson Multiplesklerose Alzheimer Epilepsie

Degeneration von Hirnstrukturen beieinem Multiplesklerose Patient

Stefan Lang (IWR) Numer. Simulation i. d. Neurowissenschaften SS 2012 9 / 28

Grundlagen Funktionelle Neuroanatomie und -physiologie

Neuropathologische Gehirnveranderungen/Symptomatik

Parkinson-Krankheit (Morbus Parkinson):langsam fortschreitende neurologische Erkrankung. Der Morbus Parkinson istgekennzeichnet durch das vornehmliche Absterben von Nervenzellen in der Struktur imMittelhirn, mit dem Botenstoff Dopamin. Der Dopaminmangel fuhrt letztlich zu einerVerminderung der Grohirnaktivierung. Die Hauptsymptome: Muskelstarre, verlangsamteBewegungen bis zur Bewegungslosigkeit, Muskelzittern sowie posturale Instabilitat(Haltungsinstabilitat).

Multiple Sklerose (MS):chronisch-entzundliche Entmarkungserkrankung des zentralen Nervensystems (ZNS),ursachlich trotz groer Forschungsanstrengungen ungeklart. Neben Epilepsie eine derhaufigsten neurologischen Erkrankungen im jungen Erwachsenenalter und von erheblichersozialmedizinischer Bedeutung. In der weien Substanz von Gehirn und Ruckenmark tretenverstreut multiple entzundliche Entmarkungsherde auf, die vermutlich durch den Angriffkorpereigener Abwehrzellen auf die Myelinscheiden der Nervenzellfortsatze verursachtwerden. Entmarkungsherde im gesamten ZNS moglich, dadurch kann MS fast jedesneurologische Symptom verursachen. Symptome: Sehstorungen, Bewegungsstorungen.

Stefan Lang (IWR) Numer. Simulation i. d. Neurowissenschaften SS 2012 10 / 28

Grundlagen Funktionelle Neuroanatomie und -physiologie

Neuropathologische Gehirnveranderungen/Symptomatik

Alzheimer-Krankheit (AK):neurodegenerative Erkrankung, die in ihrer haufigsten Form bei Personen uber dem 65.Lebensjahr auftritt und fur ungefahr 60 Prozent der weltweit etwa 24 MillionenDemenzerkrankungen verantwortlich ist. Charakteristisch ist eine zunehmendeVerschlechterung der kognitiven Leistungsfahigkeit, die in der Regel mit einer Abnahmeder taglichen Aktivitaten, mit Verhaltensauffalligkeiten und neuropsychologischenSymptomen einhergeht. Bereits viele Jahre, bevor erste klinische Symptome sichtbarwerden, bilden sich im Gehirn des Betroffenen Plaques.

Epilepsie:der Anfall, der Ubergriff seit dem 16. Jahrhundert nachweisbar; ein Krankheitsbild mit

mindestens einem spontan auftretenden Krampfanfall, der nicht durch eine vorausgehendeerkennbare Ursache (beispielsweise eine akute Entzundung, einen Stromschlag oder eineVergiftung) hervorgerufen wurde. Ein solcher epileptischer Krampfanfall ist Folgeparoxysmaler synchroner Entladungen von Neuronengruppen im Gehirn, die zu plotzlichenunwillkurlichen stereotypen Verhaltens- oder Befindensstorungen fuhren.

Stefan Lang (IWR) Numer. Simulation i. d. Neurowissenschaften SS 2012 11 / 28

Grundlagen Funktionelle Neuroanatomie und -physiologie

wichtige Entwicklungsschritte in den Neurowissenschaften

Anatomie:

Golgi: Farbung von Hirngewebe mit Silbernitrat Gehirn ist kein Kontinuum

Ramon y Cajal: Rekonstruktion erster Nervenzellmorphologien

Nervenzellen sind die funktionellen Einheiten des Gehirns

Elektrophysiologie:

Galvani: Erste Messung der elektrischen Aktivitat am Froschmuskel Funktionelle Grundlagen der Reizverarbeitung

Hodgkin und Huxley: Untersuchung des Axons am Riesentintenfisch

Anfang von biophysikalisch detailierter ModellierungStefan Lang (IWR) Numer. Simulation i. d. Neurowissenschaften SS 2012 12 / 28

Grundlagen Funktionelle Neuroanatomie und -physiologie

Das Nervensystem: Ein Mehrskalensystem mithierarchischer Struktur

nach Sejnowski

Stefan Lang (IWR) Numer. Simulation i. d. Neurowissenschaften SS 2012 13 / 28

Grundlagen Funktionelle Neuroanatomie und -physiologie

Aufbau der Nervenzelle

Dendriten: Die Dendritenbaumeempfangen die Eingangssignaleder Zelle (Synapse, Gapjunctions) und verarbeiten diese(dendritic computation).

Zellkorper (Soma) mitOrganellen.

Axonhugel: Generierung derZellantwort (Aktionspotential).

Das Axon (Neurit):Weiterleitung des Signals,Aufteilung in Kollateralen,Ubertragung des Signals aufandere Zellen mit sogen.Endkopfchen an der Synapse.

Axoplasmatischer Transportzwischen Soma undDendriten/Axon durchNeurotubuli.

Stefan Lang (IWR) Numer. Simulation i. d. Neurowissenschaften SS 2012 14 / 28

Grundlagen Funktionelle Neuroanatomie und -physiologie

Morphologie von Nervenzellen: Funktionelle Aspekte

Pyramidenzelle des Cortex der Ratte

Stefan Lang (IWR) Numer. Simulation i. d. Neurowissenschaften SS 2012 15 / 28

Grundlagen Funktionelle Neuroanatomie und -physiologie

Dendritische Substrukturen: Spines

Stefan Lang (IWR) Numer. Simulation i. d. Neurowissenschaften SS 2012 16 / 28

Grundlagen Funktionelle Neuroanatomie und -physiologie

Die Zellmembran

Durchgehende Lipid-Doppelschichtumhullt die Nervenzelle undsepariert den intrazellularen, mitCytoplasma gefullten, Raum derZelle und extrazellularen Raum mitinterstitiller Flussigkeit.

Phospholipid-Molekul besitzenpolaren Kopf und je zwei unpolareSchwanze.

Dicke der Zellmembran betragt6-8 nm

In die Zellmembran integrierteProteine ermoglichen denTransport von Molekulen undanorganischen Ionen durch dieBilipd-Schicht.

Die Membran ist selektivpermeabel fur verschiedene Ionenund ist fur die essentielleFunktionalitat der Zelle zustandig.

Stefan Lang (IWR) Numer. Simulation i. d. Neurowissenschaften SS 2012 17 / 28

Grundlagen Funktionelle Neuroanatomie und -physiologie

Das Ruhemembranpotential

Intra- und Extrazellulare Ionenkonzentrationen

Ruhemembranpotential basiert auf Konzentrationsunterschieden

Stefan Lang (IWR) Numer. Simulation i. d. Neurowissenschaften SS 2012 18 / 28

Grundlagen Funktionelle Neuroanatomie und -physiologie

Das Aktionspotential I: Phasen

Phasen des Aktionspotentials (ca. 1 ms)

Initiation: Ausgehend vomRuhepotential (ca. -70 mV) beginntdurch Reizung eine Positivierung desMembranpotentials bis zumSchwellenpotential.

Depolarisation: Steiler Anstieg derSpannung