neuronale Signalverarbeitung Julia Meskauskas und Paul Eichinger
Institut f¨ ur Angewandte Mathematik ¨ nster WWU Mu
Abschlusspr¨asentation am 08.07.2008
Julia Meskauskas und Paul Eichinger
Neuronale Signalverarbeitung
¨ Ubersicht
Julia Meskauskas und Paul Eichinger
Neuronale Signalverarbeitung
Aufbau einer Nervenzelle
Julia Meskauskas und Paul Eichinger
Neuronale Signalverarbeitung
Funktionsprinzip einer Nervenzelle
Empfang einer Erregung u ¨ber die Dendriten Verarbeitung der eintreffenden Signale im Soma Erregungsweiterleitung u ¨ber das Axon
Julia Meskauskas und Paul Eichinger
Neuronale Signalverarbeitung
Aktionspotential
Erregungen werden innerhalb einer Nervenzelle u ¨ber das elektrische Potential der Zellmembran weitergeleitet. Als Aktionspotential bezeichnet man eine charakteristische Auslenkung des Membranpotentials aus seiner Ruhelage. Aktionspotentiale werden nach einem ”Alles-oder-Nichts-Prinzip” erzeugt: Das Membranpotential muss einen gewissen Schwellwert u ¨berschreiten, um ein Aktionspotential auszul¨ osen, dessen Form dann unabh¨angig von der St¨arke des Reizes ist.
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Aktionspotential
Erregungen werden innerhalb einer Nervenzelle u ¨ber das elektrische Potential der Zellmembran weitergeleitet. Als Aktionspotential bezeichnet man eine charakteristische Auslenkung des Membranpotentials aus seiner Ruhelage. Aktionspotentiale werden nach einem ”Alles-oder-Nichts-Prinzip” erzeugt: Das Membranpotential muss einen gewissen Schwellwert u ¨berschreiten, um ein Aktionspotential auszul¨ osen, dessen Form dann unabh¨angig von der St¨arke des Reizes ist.
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Aktionspotential
Erregungen werden innerhalb einer Nervenzelle u ¨ber das elektrische Potential der Zellmembran weitergeleitet. Als Aktionspotential bezeichnet man eine charakteristische Auslenkung des Membranpotentials aus seiner Ruhelage. Aktionspotentiale werden nach einem ”Alles-oder-Nichts-Prinzip” erzeugt: Das Membranpotential muss einen gewissen Schwellwert u ¨berschreiten, um ein Aktionspotential auszul¨ osen, dessen Form dann unabh¨angig von der St¨arke des Reizes ist.
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Neuronale Signalverarbeitung
Aktionspotential
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Neuronale Signalverarbeitung
¨ le Ionenkana
Ionenkan¨ale erm¨oglichen Ionen das Durchqueren der Zellmembran. Die Aktivit¨at der Kan¨ale l¨asst sich regulieren (z.B. durch pH-Wert, Botenstoffe oder das Membranpotential) F¨ ur unsere Modelle relevante Kan¨ale transportieren Kalium-, Natrium- und Calciumkationen.
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¨ le Ionenkana
Ionenkan¨ale erm¨oglichen Ionen das Durchqueren der Zellmembran. Die Aktivit¨at der Kan¨ale l¨asst sich regulieren (z.B. durch pH-Wert, Botenstoffe oder das Membranpotential) F¨ ur unsere Modelle relevante Kan¨ale transportieren Kalium-, Natrium- und Calciumkationen.
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¨ le Ionenkana
Ionenkan¨ale erm¨oglichen Ionen das Durchqueren der Zellmembran. Die Aktivit¨at der Kan¨ale l¨asst sich regulieren (z.B. durch pH-Wert, Botenstoffe oder das Membranpotential) F¨ ur unsere Modelle relevante Kan¨ale transportieren Kalium-, Natrium- und Calciumkationen.
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Ausgangspunkt
Bei thalamokortikalen Schaltneuronen findet man zwei unterschiedliche Aktivit¨atsmuster:
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Grundannahmen des Hodgkin-Huxley-Modells
In das Modell einbezogen werden Ionenstr¨ ome (Kalium und Natrium), ein Leckstrom und ein von außen applizierter Strom: Cm dVdt(t) = Iionic + Iinj Iionic = IK + INa + Ileak
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Das Hodgkin-Huxley-Modell
¯Na m3 h(ENa −V )+ G ¯K n4 (EK −V )+ G ¯m (Vrest −V )+Iinj Cm dVdt(t) = G dn dt
= αn (1 − n) − βn n
dm dt
= αm (1 − m) − βm m
dh dt
= αh (1 − h) − βh h
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Neuronale Signalverarbeitung
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Neuronale Signalverarbeitung
Nach Depolarisation u ¨ber den Schwellwert (etwa 20 mV u ¨ber dem Ruhepotential), wird der Ausstrom von Kaliumionen verhindert. Gleichzeitig gehen die Natriumkan¨ale in den offenen Zustand u ¨ber und Natriumionen str¨ omen in die Zelle. Dies f¨ uhrt zur raschen Depolarisation der Zellmembran. Noch vor Erreichen des Potentialmaximums schließen sich die Natriumkan¨ale. Gleichzeitig erm¨ oglichen spannungsabh¨angige Kaliumkan¨ale den Ausstrom von Kaliumionen, das Membranpotential wird repolarisiert. Da die Kaliumkan¨ale verh¨altnism¨aßig langsam auf Potential¨anderungen reagieren, findet eine Nachhyperpolarisation statt.
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Nach Depolarisation u ¨ber den Schwellwert (etwa 20 mV u ¨ber dem Ruhepotential), wird der Ausstrom von Kaliumionen verhindert. Gleichzeitig gehen die Natriumkan¨ale in den offenen Zustand u ¨ber und Natriumionen str¨ omen in die Zelle. Dies f¨ uhrt zur raschen Depolarisation der Zellmembran. Noch vor Erreichen des Potentialmaximums schließen sich die Natriumkan¨ale. Gleichzeitig erm¨ oglichen spannungsabh¨angige Kaliumkan¨ale den Ausstrom von Kaliumionen, das Membranpotential wird repolarisiert. Da die Kaliumkan¨ale verh¨altnism¨aßig langsam auf Potential¨anderungen reagieren, findet eine Nachhyperpolarisation statt.
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Nach Depolarisation u ¨ber den Schwellwert (etwa 20 mV u ¨ber dem Ruhepotential), wird der Ausstrom von Kaliumionen verhindert. Gleichzeitig gehen die Natriumkan¨ale in den offenen Zustand u ¨ber und Natriumionen str¨ omen in die Zelle. Dies f¨ uhrt zur raschen Depolarisation der Zellmembran. Noch vor Erreichen des Potentialmaximums schließen sich die Natriumkan¨ale. Gleichzeitig erm¨ oglichen spannungsabh¨angige Kaliumkan¨ale den Ausstrom von Kaliumionen, das Membranpotential wird repolarisiert. Da die Kaliumkan¨ale verh¨altnism¨aßig langsam auf Potential¨anderungen reagieren, findet eine Nachhyperpolarisation statt.
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Nach Depolarisation u ¨ber den Schwellwert (etwa 20 mV u ¨ber dem Ruhepotential), wird der Ausstrom von Kaliumionen verhindert. Gleichzeitig gehen die Natriumkan¨ale in den offenen Zustand u ¨ber und Natriumionen str¨ omen in die Zelle. Dies f¨ uhrt zur raschen Depolarisation der Zellmembran. Noch vor Erreichen des Potentialmaximums schließen sich die Natriumkan¨ale. Gleichzeitig erm¨ oglichen spannungsabh¨angige Kaliumkan¨ale den Ausstrom von Kaliumionen, das Membranpotential wird repolarisiert. Da die Kaliumkan¨ale verh¨altnism¨aßig langsam auf Potential¨anderungen reagieren, findet eine Nachhyperpolarisation statt.
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¨ rzeit Refrakta
Als Refrakt¨arzeit bezeichnet man die Zeitspanne nach einem Aktionspotential, in der die Ausl¨ osung eines weiteren Aktionspotentials erschwert bzw. unm¨ oglich ist.
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Tonisches Feuerverhalten
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Der H-Strom
Der H-Strom wird von Na+ - und K + -Ionen getragen. Er wird u ¨ber intrazellul¨ar gebundene Ca2+ -Ionen reguliert. Die Aktivierung erfolgt durch Hyperpolarisation des Membranpotentials.
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Der H-Strom
Der H-Strom wird von Na+ - und K + -Ionen getragen. Er wird u ¨ber intrazellul¨ar gebundene Ca2+ -Ionen reguliert. Die Aktivierung erfolgt durch Hyperpolarisation des Membranpotentials.
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Der H-Strom
Der H-Strom wird von Na+ - und K + -Ionen getragen. Er wird u ¨ber intrazellul¨ar gebundene Ca2+ -Ionen reguliert. Die Aktivierung erfolgt durch Hyperpolarisation des Membranpotentials.
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Modellierung des H-Stroms
Ih = G h S1 F1 (V − Eh ) dS1 dt
= αS S0 + βS S1
dF1 dt
= αF F0 + β F F1
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Der T-Strom
Der T-Strom wird von Ca2+ -Ionen getragen. Der Schwellenwert liegt sehr niedrig, so dass bereits geringe Depolarisation den T-Strom ausl¨ osen kann. Auf dem f¨ ur den T-Strom typischen ”H¨ ugel” sitzen mehrere Peaks.
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Der T-Strom
Der T-Strom wird von Ca2+ -Ionen getragen. Der Schwellenwert liegt sehr niedrig, so dass bereits geringe Depolarisation den T-Strom ausl¨ osen kann. Auf dem f¨ ur den T-Strom typischen ”H¨ ugel” sitzen mehrere Peaks.
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Der T-Strom
Der T-Strom wird von Ca2+ -Ionen getragen. Der Schwellenwert liegt sehr niedrig, so dass bereits geringe Depolarisation den T-Strom ausl¨ osen kann. Auf dem f¨ ur den T-Strom typischen ”H¨ ugel” sitzen mehrere Peaks.
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Vielen Dank f¨ ur Ihre Aufmerksamkeit!
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