Neuronale Signalverarbeitung

neuronale Signalverarbeitung Julia Meskauskas und Paul Eichinger Institut f¨ ur Angewandte Mathematik ¨ nster WWU Mu Abschlusspr¨asentation am 08.07...
Author: Jörn Walter
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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.

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.

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.

Julia Meskauskas und Paul Eichinger

Neuronale Signalverarbeitung

Aktionspotential

Julia Meskauskas und Paul Eichinger

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.

Julia Meskauskas und Paul Eichinger

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.

Julia Meskauskas und Paul Eichinger

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.

Julia Meskauskas und Paul Eichinger

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Ausgangspunkt

Bei thalamokortikalen Schaltneuronen findet man zwei unterschiedliche Aktivit¨atsmuster:

Julia Meskauskas und Paul Eichinger

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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

Julia Meskauskas und Paul Eichinger

Neuronale Signalverarbeitung

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

Julia Meskauskas und Paul Eichinger

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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.

Julia Meskauskas und Paul Eichinger

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.

Julia Meskauskas und Paul Eichinger

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.

Julia Meskauskas und Paul Eichinger

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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¨ 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

Julia Meskauskas und Paul Eichinger

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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.

Julia Meskauskas und Paul Eichinger

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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.

Julia Meskauskas und Paul Eichinger

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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.

Julia Meskauskas und Paul Eichinger

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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

Julia Meskauskas und Paul Eichinger

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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.

Julia Meskauskas und Paul Eichinger

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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.

Julia Meskauskas und Paul Eichinger

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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.

Julia Meskauskas und Paul Eichinger

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Vielen Dank f¨ ur Ihre Aufmerksamkeit!

Julia Meskauskas und Paul Eichinger

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