Physiologie, Universität des Saarlandes - Januar 2018

Unser Nervensystem hat die Aufgabe Informationen, äußere oder innere Reize, aufzunehmen, sie zum Zentralnervensystem oder an Effektororgane weiterzuleiten und sie letztendlich zu ver-arbeiten. Wird eine erregbare Zelle (Nerv- oder Muskelzelle) gereizt, reagiert sie mit einer Än-derung ihrer elektrischen Membraneigenschaften. Ist der Reiz stark genug, kommt es zu einem Aktionspotenzial (AP), welches im Nerv das weitergeleitete Signal darstellt und am Muskel zur Kontraktion führt. Nervenfasern sind spezialisiert auf die elektrische Weiterleitung von Erre-gungen. Als Nervenfaser bezeichnet man den Fortsatz einer Nervenzelle, das Axon bzw. den Neuriten. Man unterscheidet marklose und markhaltige Nervenfasern. Bei markhaltigen Ner-venfasern ist das Axon von einer Myelinschicht, der Mark- oder Myelinscheide, umgeben, die im Zentralnervensystem (ZNS) von den Oligodendrozyten und im peripheren Nervensystem (PNS) von den Schwannzellen gebildet wird. Die Markscheide dient der Isolation und der Ver-besserung der Erregungsleitung des Axons. Marklose Nervenfasern im ZNS haben keine Hüll-strukturen. Die Länge des Axons ist von der Lokalisation und Funktion der Nervenzelle abhän-gig - sie schwankt von Bruchteilen eines Millimeters bis zu Längen über einen Meter. An sei-nem Ende bildet das Axon Verbindungsstellen zu anderen Nervenzellen (Synapsen). Eine Ner-venfaser hat einen viel größeren Längswiderstand als ein elektrisches Kabel und ist - besonders beim unmyelinisierten Nerven - gegenüber der Umgebung nicht besonders gut isoliert. Die "normale" elektronische Fortleitung versiegt sehr bald. Bevor dies geschieht, muss der fortge-leitete Impuls daher immer wieder durch Neubildung eines Aktionspotenzials erneuert werden. Die Praktikums-Anleitung zusammen mit Ihren Vorlesungs- und Seminar-Aufzeichnun-gen wird als Hilfestellung gesehen bei der Bestimmung, welche Abschnitte in den Lehr-büchern der Physiologie relevant sind für das Thema Nerv. Mit den folgenden Begriffe/Themen sollte Sie sich vertraut machen: Membranpotenzial; Ruhemembranpotenzial; Nernst-Gleichung; Goldman-Hodgkin-Katz-Gleichung; Aufbau, Eigenschaften und Funktion von Ionenkanälen; Leitfähigkeit eines Ionen-kanals; Ursache und Ablauf vom Aktionspotenzial; Impulsfortleitung; kontinuierliche versus saltatorische Erregungsleitung; Permeabilität; Konzentrationsgradient; Fick’sches Gesetz; Rhe-obase; Chronaxie; Refraktärphase; Elektrotonus; adäquater Reiz. Kenntnis von den folgenden technischen Begriffen wird erwartet: Mol und Molarität, pico, nano, milli, kilo, dekadischer Logarithmus, Exponentialfunktion, elektrische Kapazität, elektrischer Widerstand, Kathode, Anode

NERV Praktikum: Fortleitung und Übertragung von Signalen

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Grundlagenwissen Nerv Grundlagen des Membranpotenzials und der elektrischen Erregung

Voraussetzung zum Verständnis des Membranpotenzials bzw. der Entstehung von Ruhe –und Aktionspotenzial ist das Wissen über die Verteilung der Ionenkonzentrationen im Intra– und Extrazellulärraum. Ruhemembranpotenzial (ER)

Voraussetzung für die Entstehung des Ruhepotenzials ist zum einen die unterschiedliche Io-nenzusammensetzung im Intra- und Extrazellulärraum, sowie die selektive Permeabilität der Plasmamembran für die verschiedenen Ionenarten. Die elektrische Potenzialdifferenz zwischen intrazellulärem und extrazellulärem Raum existiert in Ruhe (unerregter Zustand) in allen lebenden Zellen und wird als Ruhemembranpotenzial bezeichnet. [Die Werte sind je nach Zelltyp unterschiedlich. Bei Neuronen liegt der Wert typi-scherweise bei −70 mV, Gliazellen, Herz- und Skelettmuskelzellen weisen −90 mV auf. Auch eine Erythrozyte hat einen Membranpotential!]

Auf Ionen wirken chemische und elektrische Triebkräfte. Chemische Triebkräfte beruhen dabei auf Konzentrationsunterschieden zwischen den Kompar-timenten. Grundsätzlich haben Ionen das Bestreben vom Ort der höheren Konzentration zum Ort der niedrigeren Konzentration zu diffundieren.

Bei den elektrischen Triebkräften erfolgt eine Beeinflussung der Ionen durch das elektrische Feld. Dabei strömen Kationen zum Minus-Pol (Kathode) und Anionen zum Plus-Pol (Anode).

Als Gleichgewichtspotenzial eines Ions bezeichnet man das Potenzial, bei dem die elektrischen und die chemischen Kräfte, die das Ion über die Membran treiben, gleich groß und entgegen-gesetzt sind. Für jedes Ion, das in die Zelle gelangt, wandert auch wieder eines aus der Zelle hinaus, d.h. beim Gleichgewichtspotenzial findet kein Netto-Fluss über die Membran mehr statt. Im Vergleich zu anderen Ionen ist die Leitfähigkeit der Membran im Ruhezustand für K+-Ionen relativ hoch. So kann sich das Gleichgewichtspotenzial für diese Ionen relativ schnell einstel-len. Im Gegensatz dazu ist zum Beispiel die Na+-Leitfähigkeit eher gering. Das Ruhemembran-potenzial ergibt sich aus den Gleichgewichtspotenzialen aller beteiligten Ionensorten, wobei diese jedoch aufgrund der verschiedenen Permeabilitäten auch unterschiedlich gewichtet sind. Da die Membran nun vorwiegend für K+-Ionen permeabel ist, liegt das Membranpotenzial nahe dem K+-Gleichgewichtspotenzial. Da es aber trotzdem zu einem geringen Na+-Einstrom kommt, ist das ER etwas positiver als das K+-Gleichgewichtspotenzial (etwa bei -60 bis -80mV).

Berechnen lässt sich das Membran-Gleichgewichtspotential EM mit der Goldmann-Hodgkin-Katz (GHK) Gleichung.

Übungsfragen: 1. Welche Ionensorten sind für das Ruhepotenzial (ER) von besonderer Bedeutung? Wie sind

diese Ionen an der Membran der Nervenzelle bzw. des Axons verteilt (Innen- und Außen-konzentrationen)?

2. Erklären Sie die Begriffe Konzentrationsgradient, Ionen-Permeabilität, Ionen-Leitfähigkeit, Ionenstrom und Potenzial-Gradient!

3. Was ist das Gleichgewichtspotenzial einer Ionensorte? Wie lautet die Nernst-Gleichung?

4. Berechnen Sie das Gleichgewichtspotenzial für Natrium-Ionen!

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5. Mit welcher Gleichung kann der Einfluss mehrerer einwertiger Ionen auf das Ruhepotenzial beschrieben werden?

6. Wie wird das Ruhepotenzial an Zellmembranen aufrecht erhalten?

Aktionspotenzial (AP) Grundvorrausetzung für die Erregungsleitung ist die passive Ausbreitung von elektrischen Po-tenzialen. Durch einen erregenden Impuls wird an der postsynaptischen Membran eine Depo-larisation ausgelöst, die sich über die Membran ausbreiten kann. Diese Art der Erregungsaus-breitung wird als kontinuierliche Erregungsleitung bezeichnet. Mit zunehmendem Weg nimmt jedoch die Signalamplitude der Erregung exponentiell mit der Entfernung ab; diese Art der Informationsleitung eignet sich also nur für kürzere Strecken. Für die Weiterleitung über lange Distanzen ist es daher erforderlich die Signalamplitude aufrechtzuerhalten. Eine Hilfe dabei ist das AP. Trifft ein erregender Impuls auf eine Zelle, wird diese zunächst depolarisiert. Wird dabei ein bestimmter Schwellenwert überschritten, wird ein AP ausgelöst. Dabei gilt das „Alles-oder-nichts-Prinzip“ (Vorbild Vorlesung: Toilettenspülung; Wissen: was ist der Grund für unter-schiedliche Schwellenpotentiale): Wird das Schwellenpotenzial erreicht, kommt es zur Entste-hung eines APs und zwar unabhängig davon, wie stark der auslösende Reiz war.

Die Phasen des Aktionspotenzials: 1. Depolarisationsphase (Aufstrichphase)

2. Repolarisationsphase 3. Hyperpolarisierende Nachpotenziale (nicht bei allen Zellen)

Die Dauer eines AP der Nervenzelle beträgt ca. 1-2 ms; das einer Muskelzelle um die 10 ms. Im Vergleich dazu dauert das AP des Herzmuskels bis zu 200ms.

Nach einem überschwelligen Reiz ist es eine Zeit lang nicht möglich ein weiteres AP auszulö-sen, d.h. in dieser Phase werden erregende Impulse nicht beantwortet. Man bezeichnet diese Zeitspanne als Refraktärzeit. Sie ist bedingt durch die Inaktivierung der schnellen spannungs-abhängigen Na+-Kanäle. Die Refraktärphase setzt sich aus der absoluten und relativen Refrak-tärzeit zusammen. Die absolute Refraktärzeit macht deutlich, dass während des APs eine wei-tere Erregung unmöglich ist. Die spannungsabhängigen Na+-Kanäle befinden sich im Zustand „geschlossen, nicht aktivierbar“. Sie dauert bei Nervenzellen etwa 2 ms. In der relativen Re-fraktärzeit können neue APs wieder ausgelöst werden. Allerdings weisen diese aufgrund der nur geringen Anzahl aktivierbarer Na+-Kanäle eine deutlich kleinere Amplitude auf und benö-tigen einen wesentlich stärkeren Reiz um ein AP auszulösen (Prinzip mit Formel erklären kön-nen: I = N · PO · i).

Weiterleitung eines AP

Damit die Informationen letztendlich am Erfolgsorgan ankommen, müssen die Impulse von einer Zelle zur anderen weitergegeben werden. Als Schaltstellen zwischen 2 Zellen dienen da-bei Synapsen. Die chemische Synapse ist aufgebaut aus der präsynaptischen Endigung, dem synaptischen Spalt und der postsynaptischen Membran (Membran der Folgezelle). Schaltstellen zwischen Axonen und Skelettmuskelfasern weisen einen ähnlichen Aufbau auf wie die neuro-neuronalen Synapsen. Man spricht hier von neuromuskulären Endplatten. In der präsynapti-schen Endigung befinden sich Membranvesikel, die Transmitter beinhalten. Erreicht nun ein AP die präsynaptische Endigung, öffnen sich dort spannungsabhängige Ca2+-Kanäle. Durch den Ca2+-Einstrom kommt es zur Freisetzung der Transmittermoleküle mittels Exozytose in den synaptischen Spalt. Man unterscheidet ganz allgemein zwischen exzitatorischen Transmittern

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(z.B. Acetylcholin) und inhibitorischen Transmittern (z.B. GABA), die an unterschiedliche Re-zeptortypen an der postsynaptischen Membran binden können (ionotrope Rezeptoren, metabo-trope Rezeptoren). Eine Synapse kann eine Zielzelle entweder aktivieren oder inhibieren. Je nach Transmitter und entsprechendem Rezeptor werden z.B. Na+-Kanäle der postsynaptischen Membran geöffnet und die Folgezelle durch den Na+-Einstrom depolarisiert. Durch eine Erhöhung der Leitfähig-keit für z.B. K+ oder Cl--Ionen kann die Zielzelle hyperpolarisiert werden. Eine Depolarisation der postsynaptischen Membran erleichtert die Erregungsbildung der Folgezelle. Man spricht in diesem Fall von exzitatorischen postsynaptischen Potenzialen (EPSP). Diese breiten sich zu-nächst elektrotonisch über die Membran aus und beim Erreichen des Schwellenpotenzials im Bereich des Axonhügels kann es dann zu einem AP kommen. Meist müssen sich jedoch meh-rere EPSPs summieren um den Schwellenwert zu erreichen. Dies kann einerseits räumlich ge-schehen, d.h. mehrere EPSPs von mehreren Synapsen treffen gleichzeitig ein, oder zeitlich, d.h. mehrere EPSPs treffen kurz nacheinander ein und summieren sich in ihrer Wirkung.

Umgekehrt kann die Zielzelle gehemmt werden. Dies geschieht durch inhibitorische postsy-naptische Potenziale (IPSP) Hier kommt es zur Hyperpolarisation (K+-Ausstrom oder Cl-- Ein-strom) der Folgezelle und damit zur erschwerten Erregungsbildung. Neurone können dann die verschiedene exzitatorischen und inhibitorische Potenziale integrieren und dann als Resultat ihr ER verändern, um entweder das Signal zu stoppen oder weiterzuleiten.

Kommt es nun zu einer Depolarisation der Zielzelle und letztendlich zur Ausbildung eines AP, kann dieses folgendermaßen weitergeleitet werden:

1. Weiterleitung in marklosen Nerven – Kontinuierliche Erregungsweiterleitung

APs werden zunächst elektrotonisch weitergeleitet. Dabei nimmt die Amplitude des APs mit zunehmender Entfernung vom Reizort exponentiell ab. Die Erregungsleitung erfolgt - vom Axonhügel aus - in eine Richtung, da die Nervenfaser, in der Richtung, aus der das AP kommt, noch refraktär ist (Bedenken: was passiert mit der Richtung der Erregungsleitung, wenn der Reizort irgendwo an einem langen Axon startet). Bei marklosen Nervenfasern erfolgt die Weiterleitung der Erregung langsamer als bei der saltatorischen Erregungswei-terleitung (siehe unten), da es einen Stromverlust durch die Abwesenheit von Isolierung gibt. Bei einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von 1 m/s erstreckt sich das kontinuierlich fortgeleitete AP also über etwa 1 mm des Axons in 1 ms. Ein Maß für die Erregungsaus-breitung ist die Membranlängskonstante λ. Diese beschreibt nach welcher Strecke die Span-nung um 63 % gegenüber dem Ausgangswert abgefallen ist, also auf 37 % des Ausgangs-wertes.

Beispiele für λ: Riesenaxon (ø 1 mm) = 13 mm

Muskelfaser (ø 0,1 mm) = 1,5 mm dünner unmyel. Nerv = 0,2 mm

2. Weiterleitung in markhaltigen Nerven – Saltatorische Erregungsweiterleitung

Die Erregung wird bei diesen Nerven von Schnürring zu Schnürring weitergeleitet. Man spricht von saltatorischer Erregungsleitung. Nur im Bereich der Schnürringe werden APs gebildet, während die Erregung im Bereich der Internodien elektrotonisch weitergeleitet wird. Durch die hohe Anzahl spannungsabhängiger Na+-Kanäle im Bereich der Ranvier Schnürringe, wird die Amplitude des AP aufrechterhalten. Es können hier Nervenleitungs-geschwindigkeiten bis zu 120 m/s erreicht werden. Nach dem Grad der Myelinisierung, dem

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Durchmesser und damit der Leitungsgeschwindigkeit kann man verschiedene Klassen von Nervenfasern unterteilen.

Künstliche Erregung von Nervenzellen - Elektroneurographie (ENG) Elektroneurographie ist eine Methode der Elektrodiagnostik in der Neurologie zur Bestimmung des Funktionszustands eines peripheren Nervs. Es werden unter anderem die Nervenleitge-schwindigkeiten und deren Verteilung, die Amplitude und die Refraktärzeit erfasst. Durch elektrische Ströme kann man Nervenzellmembranen künstlich erregen. Eine Depolari-sation kann man dabei erreichen, indem man eine Kathode an den Nerven legt. Wird dabei der Schwellenwert erreicht kommt es zum AP. Je nach erregbarer Struktur und anatomischen Ge-gebenheiten ist dafür eine bestimmte Impulsdauer und eine Mindeststromstärke notwendig. Die Schwellenstromstärke, die man braucht um gerade noch eine Erregung, also eine Antwort auf den Reiz, hervorzurufen, bezeichnet man als Rheobase. Als Chronaxie wird die Zeit bezeichnet, mit der ein Strom von der 2-fachen Stärke der Rheo-base wirken muss, um eine Reizantwort hervorzurufen. In der Praxis wird die elektrische Nervenreizung z.B. zur Untersuchung der Nerven bzw. ihrer Erregungsleitfähigkeit genutzt, um so bestimmte Krankheitsbilder zu diagnostizieren.

Summenaktionspotenzial (SAP)

Unter einem Summenaktionspotenzial versteht man die Summe aller durch Elektroden mess-baren APs einer Nervenfaser bzw. Nervs. Beispiele: Elektrokochleographie = SAP des Hörner-ven, Elektroneurographie = SAP eines peripheren Nerven.

Übungsfragen:

1. Erklären Sie die Begriffe Reiz (unterschwellig, überschwellig), Schwellenreiz, Schwellen-potenzial und Erregung! Welche Veränderungen vollziehen sich im Bereich des Schwel-lenpotenzials?

2. Was ist die Basis der Erregbarkeit von Nerven– und Muskelzellmembranen?

3. Wie kommt das AP an einer Zellmembran zustande? Beschreiben Sie die unterschiedlichen Phasen!

4. Was versteht man unter dem „Alles-oder-Nichts“-Gesetz? An welchen Stellen der Erre-gungsübertragung wird es beobachtet, in welchen Fällen gilt es nicht?

5. Was versteht man unter der Reizzeit-Reizstärke-Kurve? Welche Parameter kann man aus ihr gewinnen?

6. Was versteht man unter der Refraktärzeit (absolut, relativ)? Worauf beruht sie? 7. Welche Gruppen von Nervenfasern kann man unter funktionellen Gesichtspunkten unter-

scheiden? 8. Erklären Sie die Weiterleitung eines Aktionspotenzials! Durch welche Strukturen der Ner-

venfaser und in welche Richtung fließt dabei Strom? 9. Erklären Sie den Unterschied zwischen der elektrotonischen Ausbreitung einer Potenzial-

änderung und der Erregungsfortleitung! 10. Welche Leitungsgeschwindigkeiten können erreicht werden? Warum leiten dickere Fasern

schneller als dünne? 11. Was versteht man unter „saltatorischer“ Erregungsfortleitung?

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12. Wieso wird bei der Ableitung mit Außen-Elektroden am peripheren Nerv ein Summen-aktionspotenzial (SAP) gemessen?

Reizaufnahme und -verarbeitung

Welche Reize in unserem Organismus zu bestimmten Wahrnehmungen und Empfindungen führen, ist abhängig von der Signalaufnahme und Verarbeitung im Nervensystem. Grundlage hierfür ist eine Reihe von Sinnesmodalitäten. Dazu zählen neben den klassischen fünf Sinnen (Riechen, Fühlen, Schmecken, Sehen, Hören) u.a. der Gleichgewichtssinn, der Schmerzsinn sowie Informationen über Muskellänge und -kraft oder Gelenkstellungen. Rezep-toren, die Reize innerhalb unseres Körpers registrieren, werden dabei als Enterorezeptoren be-zeichnet; diejenigen, die auf äußere Reize reagieren als Exterorezeptoren. Die Verarbeitung von Reizen beginnt bereits auf der Ebene der Synapsen. Hier werden Signale schon modifiziert und erleichtern so die weiteren Vorgänge im ZNS. Zum Beispiel können durch das Phänomen der Summation sich mehrere unterschwellige Reize zu einem überschwelligen Reiz an einer Synapse addieren und so letztendlich ein AP am Axo-nhügel auslösen. Mit Hilfe unserer sensorischen Systeme können Reize über Sensoren (Sinnesrezeptoren z.B. Mechano-, Thermo-, Chemo- und Photosensoren) aufgenommen werden und in die „Sprache unseres Körpers“, also Aktionspotenziale, umgewandelt werden. Als adäquater Reiz bezeichnet man dabei den Reiz, der einen bestimmten Sensor optimal erregt, d.h. mit minimaler Reizenergie wird das Membranpotenzial verändert. Aber auch gegenüber seinem adäquaten Reiz besitzt der entsprechende Rezeptor eine begrenzte Empfindlichkeit: So sprechen z.B. Photorezeptoren im Auge nur auf bestimmte Wellenlängen des sichtbaren Lichtes an. Ein inadäquater Reiz ist der Reiz der nicht oder nur bei sehr hohen Intensitäten erregungs-auslösend wirkt (‚Sterne sehen’ nach Schlag auf dem Auge). Eine weitere Unterteilung der Sensoren ist die in primäre und sekundäre Sinneszellen. Von einer primären Sinneszelle spricht man, wenn die Sinneszelle selber ein AP über sein Axon leiten kann. Zu den primären Sinneszellen zählen z.B. Spinalganglienzellen oder Geruchssinneszellen. Sekundäre Sinneszellen hingegen stehen durch eine chemische Synapse mit ihrer afferenten Nervenfaser in Verbindung. Zu ihnen zählen z.B. Fotosensoren, Geschmackszellen oder die Haarzellen des Innenohrs. Wird ein Sensor nun gereizt, kommt es zu einer Depolarisation, indem durch eine Änderung von Ionenleitfähigkeiten das Membranpotenzial verschoben wird. Es entsteht ein Sensorpoten-zial. Welche Ionenkanäle betroffen sind, hängt vom Rezeptortyp ab. In diesem Zusammenhang spricht man von Amplitudenkodierung der Reizintensität, d.h. die Höhe der Depolarisation des Sensors ist der Reizintensität proportional. Die Übersetzung eines Reizes in ein Sensorpotenzial bezeichnet man als Transduktion.

Diese Sensor- oder Rezeptorpotenziale breiten sich zunächst elektrotonisch über die Zellmemb-ran aus. Wird das Schwellenpotenzial überschritten, erfolgt die Umkodierung des Sensorpoten-zials in ein AP (Transformation). Die Frequenz des ausgelösten AP korreliert dabei mit der Höhe des Sensorpotenzials. Diese Tatsache wird als Frequenzkodierung des Sensorpotenzials bezeichnet.

Übungsfragen: 1. Was versteht man unter einem adäquaten Reiz, was unter einer Sinnesmodalität?

2. Erklären Sie den Unterschied zwischen einer primären und einer sekundären Sinneszelle! 3. Was versteht man unter Transduktion und Transformation bei der Reizverarbeitung?

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4. Wie wird die Information über die Intensität eines Reizes weitergeleitet? Was passiert an der Synapse der Folgezelle? Gehen Sie dabei auf die Begriffe „Codierung“, „Decodierung“ und „Recodierung“ ein!

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Das Oszilloskop – ein elektronisches Messgerät zur optischen Darstel-

lung von Potenzialänderungen über die Zeit Das Oszilloskop ist ein verbessertes Voltmeter und misst wie dieses die Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten eines Stromkreises. Es wird folglich parallel zur interessierenden Spannungsquelle an-geschlossen. Im Vergleich zu einem „herkömmli-chen“ Spannungsmessgerät liegt die Hauptverbes-serung in der Visualisierung der Spannungsände-rung über die Zeit. Ein Oszilloskop findet dann Anwendung, wenn periodisch wiederkehrende Signale (elektrische Vorgänge) bildlich dargestellt werden sollen. Bevor auf die Funktionalität und die Einsatzbereiche eines Oszilloskops eingegangen wird, gibt es einen Einblick in den groben Aufbau eines Oszilloskops. Der Bildschirm des Oszilloskops besteht aus einer Mattscheibe, deren beschichtete Rückseite durch einen Elektronenstrahl zum Leuchten angeregt wird. Der Elektronenstrahl wird in der Braun‘schen Röhre erzeugt und durch zwei Paare von Ablenkplatten in X- und Y-Richtung ausgelenkt. Die Darstellung und Auswertung der zu messenden Signale erfolgt auf einem Bildschirm von 10 x 8 Skalenteilen. Üblich ist die Darstellung des zeitlichen Spannungsverlaufes U(t), d. h. die Spannung U(t) wird vertikal (y - Achse) und die Zeit t horizontal (x- Achse) dargestellt. Einige Bedienelemente des Oszilloskops: Time/DIV: regelt die horizontale Durchlaufgeschwindigkeit des Elektronenstrahls und da-

mit die zeitliche Auflösung des Signalverlaufs (in Millisekunden pro Skalenteil) Position: horizontale Verschiebung des Elektronenstrahls Volt/DIV: regelt die Signalverstärkung und bestimmt damit die Amplitude des

Signalbildes auf dem Schirm und den Messbereich (Volt pro Skaleneinheit) Triggerung: Einstellmöglichkeiten für das Auslösen der horizontalen Strahlablenkung.

Wichtig zur stabilen Anzeige eines periodischen Signals = "Synchronisation" MODE: Auswahl des auf dem Bildschirm angezeigten Signals Um den Bezug zur Praxis herzustellen, soll an dieser Stelle erwähnt werden, dass das Oszil-loskop ein wichtiger Bestandteil im klinischen Alltag ist. So werden z.B. die Elektrokardiogra-phie, Elektroenzephalographie, die periphere Pulse etc. mittels Oszilloskop visualisiert.

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Versuchsprotokolle Lernziel: Folgende Begriffe sollen in diesem Abschnitt verdeutlicht werden: Ruhepotenzial (RP), Akti-onspotenzial (AP), Summenaktionspotenzial (SAP); mono-biphasisches SAP; anodische und kathodische Reizung; Leitungsgeschwindigkeit; Chronaxie; Rheobase; Alles-oder-Nichts Ge-setz; aktive und passive Membraneigenschaften; Reizschwelle; absolute und relative Refrak-tärzeit; Erregungsausbreitung, Nervenleitgeschwindigkeit, Refraktärzeit. Dazu sollten Sie be-reits ein Verständnis folgender Begriffe erworben haben: Membranpotenzial, Ionenkanal, De-polarisation, Hyperpolarisation, Elektrotonus, Membranschwelle. Bitte arbeiten Sie den entsprechenden Abschnitt in den Standard-Lehrbüchern der Phy-siologie zusammen mit Ihren Vorlesungs- und Seminar-Aufzeichnungen durch, so dass Sie in der Lage sind, die folgenden Experimente auszuführen und zu verstehen. Programm MetaNeuron von M.H. Newman und E.A. Newman laden. AUFGABE 1: Ruhemembranpotenzial (ER)

Diese Aufgabe (Lesson 1 von MetaNeuron) veranschaulicht, wie K+ und Na+-Kanäle auf die Generierung des ER beitragen. Das Neuron in dieser Lektion wird durch passive Leitfähigkeiten von K+ und Na+ modelliert. Diese Leitfähigkeiten sind spannungsunabhängig und das Neuron löst keine Aktionspotentiale aus. Die Konzentrationen von K+ und Na+, sowohl außerhalb als auch innerhalb der Zelle, können variiert werden. Das Programm berechnet das elektrochemi-sche Gleichgewichtspotenzial für jedes Ion, basierend auf den Ionenkonzentrationsgradienten über die Nernst-Gleichung. Das Ruhemembranpotential der Neuronen wird durch die Konzentrationen von Na+ und K+ innerhalb und außerhalb der Zelle und durch die Permeabilität der Membran für Na+ und K+ bestimmt. Die relativen Membranpermeabilitäten Na+ und K+ können variiert werden. Das Membranpotential wird unter Verwendung der Goldman-Hodgkin-Katz-Gleichung berechnet. Die Membranpermeabilität für Cl-, als auch anderer Ionen, ist in dieser Simulation weggelassen worden. Gleichgewichtspotenzial und Ruhemembranpotenzial

1. Wie verändert eine Erhöhung der externen Kalium-Konzentration bei einer Hyperkali-ämie oder einer kardioplegen Lösung (z.B: 9 mM) … [Ausgangssituation: EM = -65 mV; ENa = 50 mV; EK = -77 mV]

a. das K+-Gleichgewichtspotenzial? EK = ___ mV; ____________________

b. das Na+-Gleichgewichtspotenzial? ENa = ___ mV; ____________________

c. das Membranpotenzial? EM = ___ mV; ____________________

d. die elektrochemische Triebkraft auf K+ (EM – EK)? ____________________

e. die elektrochemische Triebkraft auf Na+ (EM – ENa)? ____________________

2. Wie verändert eine Erhöhung der internen Natrium-Konzentration (z.B. 40 mM)

[Ausgangssituation: EM = -65 mV; ENa = 50 mV; EK = -77 mV] …

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a. das K+-Gleichgewichtspotenzial? EK = ___ mV; ____________________

b. das Na+-Gleichgewichtspotenzial? ENa = ___ mV; ____________________

c. das Membranpotenzial? EM = ___ mV; ____________________

Membranleitfähigkeit und Membranpotenzial

3. Bestimmen Sie das Membranpotenzial (EM in mV)

a. in Abhängigkeit der Kalium-Außenkonzentration Ko (Messwerte für Ko = 1, 2, 3,

5, 10, 20, 30, 50, 100 mM).

b. Gleich wie in a, jedoch reduzieren Sie bitte PNa auf 0. Wie erklären Sie sich den

Unterschied in der Kurve?

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AUFGABE 2: Membranlängskonstante (l)

Diese Aufgabe (Lesson 3 von MetaNeuron) veranschaulicht den Effekt der Längskonstante l auf die passive Ausbreitung der Spannung über die Länge eines Dendriten oder Axons. Das Axon hat in dieser Simulation eine Membrankapazität (Cm) von 1 µF/cm2. Werte für den Membranwiderstand (Rm), den inneren Längswiderstand (Ri), und den Diameter des Axons (d) können variiert werden. Antworten werden mithilfe der Kabeltheorie von Lord Kelvin aus dem Jahre 1850 berechnet. Der Stimulus wurde normalisiert zu Rm, Ri, und d, so dass die stimulus-induzierte Depolarisation auf Punkt X = 0 sich nicht ändert, wenn diese Parameter variiert wer-den. Antworten können in 2 Varianten dargestellt werden: ‘Potential vs. Distance’ (Spannung vs. Abstand) und ‘Potential vs. Time’ (Spannung vs. Zeit). Eine exponentielle Abnahme des Po-tenzials mit zunehmendem Abstand von Punkt X kann man in ‘Potential vs. Distance’ beobach-ten. Die Verminderung und Verlangsamung des synaptischen Potenzials, wie es sich passiv über das Axon ausbreitet, wird in ‘Potential vs. Time’ erfasst. Längskonstante

1. Die Standardeinstellungen verdeutlichen den stationären exponentiellen Abfall des Membranpotenzials mit der Entfernung. Der Dendrit ist für 50 ms depolarisiert und der Membranpotenzial soll bei t = 50 ms ausgewertet werden. Messen Sie die Membranlängskonstante (l), die Entfernung bei der das Membranpo-tenzial auf 37 % (1/e) des Maximalwerts fällt. Kontrollieren Sie, ob dieser Wert mit dem ausgerechneten Wert der folgenden Gleichung übereinkommt:

wobei l die Membranlängskonstante (cm), d der Diameter des Axons (cm), Rm der Membranwiderstand (W cm2), und Ri der innere Längswiderstand (W cm) ist.

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Passive Leitfähigkeit eines synaptischen Potenzials an einem Dendriten

2. Starten Sie mit den Standardeinstellungen und selektieren Sie ‘Potential vs. Time’ und den ‘Synaptic Potential’ Stimulus. Die Stimuluslänge (stimulus width) sollte auf 1 ms stehen. Der Zeitverlauf des synaptischen Potentials kann in verschiedenen Entfernungen von der Stelle der Erzeugung der Potenzial durch Variation der Parameter 'Position' in dem Fenster 'Potential vs. Time’ (Potenzial über Zeit) angesehen werden. Beobachten Sie den Zeitverlauf des synaptischen Potenzials auf X = 0, 50 und 100 µm. Wie verän-dert sich das synaptische Potenzial während es passiv über den Dendriten verläuft? Was ist die Ursache für die Änderung im Zeitverlauf des Potenzials? Die 3D Funktion zeigt die Änderung des Potenzials vs. Zeit vs. Entfernung. Wählen Sie die ‘Surface’ (Ober-flächen-) Funktion der 3D Darstellung, nachdem Sie den Parameter Position im Fenster 'Potential vs. Time’ (Potenzial über Zeit) ein Häkchen in den Kasten gesetzt haben (jetzt wird ‘range’ angezeigt).

AUFGABE 3: Aktionspotenzial (AP) am Axon

Diese Aufgabe (Lesson 4 von MetaNeuron) veranschaulicht, wie spannungs- und zeitabhängige Na+ und K+ Leitfähigkeiten einen AP generieren. Dieses Programm basiert auf den spannungs-abhängigen Na+ und K+ Leitfähigkeiten vom Riesenaxon eines Tintenfisches. Die Na+-Leitfä-higkeit stellen einen schnellen, tetrodotoxin(TTX)–sensitiven Na+-Ionenkanal und die K+-Leit-fähigkeit einen delayed rectifier K+-Ionenkanal (verzögerter Gleichrichter) dar. Ein Leckstrom wurde auch einbezogen. Die Werte von einiger Parameter wurden angepasst, um APs in einem Vertebratenaxon zu simulieren. TTX: Tetrodotoxin blockiert Na+-Leitfähigkeiten TEA: Tetraethylammonium blockiert die K+-Leitfähigkeiten, aber nicht den Leck-

strom. Temperatur: Eine Erhöhung reduziert die Zeitkonstante der Na+-Leitfähigkeitsaktivierung

und –inaktivierung, als auch die K+-Leitfähigkeitsaktivierung. Dies sorgt für ein schnelleres AP.

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Schwellenpotenzial (Schwellenwert) 3. Variieren Sie die Amplitude von ‚Stimulus 1’. Welchen Effekt hat dies auf die AP Ant-

wort? Was ist der Schwellenwert (in µA), um einen AP zu initiieren? Der Schwellen-wert ist am besten festzustellen, wenn die Reizamplitude in Inkrementen von 0.1 µA bis der Reiz groß genug ist, um einen AP auszulösen. ...........................................................................................................................................

Aktionspotenzial und der Na+-Gleichgewichtspotenzial 4. Der Reiz ‚Stimulus 1’ soll auf 150 µA gestellt werden. Der Reiz wird ein AP auslösen.

Variieren Sie jetzt das Gleichgewichtspotenzial von Na+ (‚Na+ equilibrium potential’). Welchen Effekt hat dies auf das AP und warum? ...........................................................................................................................................

Aktionspotenzial und die K+-Leitfähigkeit / K+-Gleichgewichtspotenzial 5. Der Reiz ‚Stimulus 1’ soll auf 150 µA und das Na+-Gleichgewichtspotenzial auf 50 mV

gestellt werden. Variieren Sie jetzt das die K+-Leitfähigkeit (‚gK max’). Welchen Effekt hat dies auf das AP (Verzögerung und Breite eines APs)? Warum? ........................................................................................................................................... ...........................................................................................................................................

6. Gehen Sie wieder zu den Originaleinstellungen. Jetzt ändern Sie das K+-Gleichge-wichtspotenzial. Was passiert mit der Erregbarkeit der Membran und warum?

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Anzahl von Na+-Ionenkanälen und die Initiierung eines APs

Aktionspotenziale werden am Axonhügel initiiert. Am Axonhügel gibt es eine hohe Dichte von Na+-Ionenkanälen, die die Schwelle für das Initiieren eines APs reduzieren. Das Programm kann den Effekt von Kanaldichte auf das Schwellenpotenzial eines APs verdeutlichen. Variieren Sie gNa max von 200 auf 380 mS/cm2 in 20 mS/cm2 Schritten. Die Na+-Ionenkanaldichte ist proportional zu gNa max. Für jeden gNa max Wert soll der Schwellenwert (in µA) zur Induzierung eines APs bestimmt werden. Warum ändert sich die Schwelle für ein AP, wenn die Na+-Ionenkanaldichte sich ändert?

gNa max [mS/cm2] Schwellenwert [µA]

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Streudepolarisierung (Cortical spreading depression - CSD)

Dieser Begriff bezeichnet ein regelmäßig auftretendes neurologisches Phänomen, das durch eine sich langsam ausbreitende Depolarisation des Cortexes gekennzeichnet ist. Dieses Phänomen wird mit der Pathogenese der Migräne und des Schlaganfalls in Ver-bindung gebracht. Einer der Gründe für die Entstehung und die Ausbreitung von CSD ist eine Freisetzung von Kaliumionen in den Extrazellularraum. Starten Sie im Programm mit den Orginaleinstellungen. Stellen Sie die ‚Stimulus 1 Amplitude’ auf 0 und ‚Sweep Duration’ im Kasten ‚Graph’ (rechts, unterste Zeile vom hellgrauen Feld) auf 20 ms. Jetzt ändern Sie langsam das K+-Gleichgewichtspotenzial zu mehr positiven Werten.

7. Welche Voraussetzung braucht man, um ein K+-Gleichgewichtspotenzial so zu ändern, dass es immer positiver wird? ...........................................................................................................................................

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8. Beschreiben Sie die Vorgänge betreffend des Membranpotenzials, wie auch der Form und Frequenz der APs. Die gleichen Vorgänge treten bei CSD im Cortex auf. Während CSD, erhöht sich die K+-Konzentration von 3 auf 50 mM oder sogar mehr. Können Sie erklären, warum die verschiedenen Vorgänge auftreten, wenn das K+-Gleichgewichts-potenzial sich erhöht?

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Multiple Sklerose (MS)

MS ist eine chronisch-entzündliche Entmarkungserkrankung des zentralen Nervensystem. Bei MS entstehen in der weißen Substanz verstreut vielfache (multiple) entzündliche Entmarkungs-herde. Die Myelinschicht der Nervenfasern wird beschädigt und führt zur Narbenbildung (Skle-rose). In vielen Fällen können durch eine Senkung der Körpertemperatur die Symptome von MS Patienten erleichtert werden. Im Gegensatz dazu verschlimmern sich die Symptome durch eine Erhöhung der Körpertemperatur, z.B. Sport. Der Effekt von Temperatur auf einen AP kann mit diesem Programm veranschaulicht werden.

9. Starten Sie im Programm (Lesson 4 von MetaNeuron) mit den Orginaleinstellungen. Stellen Sie die Stimulus Amplitude so ein, dass sie gerade unter dem Schwellenwert ist, um einen AP auszulösen. Jetzt variieren Sie die Temperatur. Wie weit muss die Tem-peratur erniedrigt werden, um ein AP zu initiieren.

....................................................................................................................................................... 10. Jetzt versuchen Sie das Umgekehrte. Stellen Sie die Stimulus Amplitude so ein, dass sie

gerade ein AP auslöst. Wie weit muss die Temperatur erhöht werden, um die Auslösung des APs zu blockieren?

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In einem Patienten mit blockierter Leitfähigkeit der Nervenfasern, kann eine Erniedrigung der Körpertemperatur die Leitfähigkeit wieder herstellen.

11. Warum reduziert eine Erniedrigung der Temperatur die Schwelle für ein AP? Um diese Frage zu beantworten, werden wir uns Na+-Ströme anschauen.

Starten Sie Lesson 5 von MetaNeuron. Wir haben jetzt ein Axon in Voltage-Clamp und können uns die Ströme durch Na+- und K+-Ionenkanäle anschauen. Die Stimulus 1 Amplitude soll jetzt

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auf +5 mV eingestellt werden. Sie sehen einen schnellen Na+-Einstrom und einen depolarisa-tion-induzierten K+-Ausstrom. Blockieren Sie die K+-Ionenkanäle mit TEA, damit wir uns auf die Na+-Ionenkanäle konzentrieren können. Vergleichen Sie jetzt diesen Na+-Einstrom gemes-sen bei 18 ºC mit dem gemessen bei 10 ºC. Können Sie jetzt die oben gestellte Frage beantwor-ten?

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AUFGABE 4: Elektroneurographie (ENG)

Elektroneurographie ist eine Methode der Elektrodiagnostik in der Neurologie zur Bestimmung des Funktionszustands eines peripheren Nervs. Es werden unter anderem die Nervenleitge-schwindigkeiten und deren Verteilung, die Amplitude und die Refraktärzeit erfasst. Die Untersuchung wird vorwiegend benutzt, um Schädigungen einzelner Nerven (zum Beispiel durch Verletzungen im Rahmen eines Unfalls) oder allgemeine Nervenschädigungen (Polyneu-ropathie) zu untersuchen. Dabei ist es möglich, zwischen einer Schädigung der Myelinscheiden (der Isolation einer einzelnen Nervenfaser) und einer Schädigung der Axone (der Nervenfasern selbst) zu unterscheiden. Eine Zerstörung der Myelinscheide führt durch Beeinträchtigung der saltatorischen Erregungsleitung zur Verminderung der Nervenleitgeschwindigkeit. Demgegen-über kommt es durch Verlust der Axone zur Verringerung der Amplitude der Reizantwort. Bei vielen Erkrankungen kommt es jedoch zu beiden Phänomenen mit Betonung eines Aspektes. Diese Aufgabe (Software-Programm SimNerv) veranschaulicht die verschiedenen Eigenschaf-ten und Parameter von Summenaktionspotenzialen, die bei einer Elektroneurographie bestimmt werden.

Biphasische und monophasische SAPs (Aufspüren eines verletzten Nervs, Nervenschädigung)

(a) Messen Sie ein Summenaktionspotenzial (SAP) mit einer maximalen Amplitude bei einer Stimulierung von 1 ms und ausreichend hoher Reizstärke. Sie sollten ein bipha-sisiches SAP sehen. Stellen Sie am Oszilloskopen speichern (‚store’) ein. Versuchen Sie jetzt ein monophasisches SAP unter exakt den gleichen Stimulations- und Oszilloskopein-stellungen zu messen. Bitte stellen Sie jetzt am Oszilloskopen die Zeitbasis auf 0.5 oder 1 ms/DIV ein und sorgen Sie für eine korrekte Anfangshöhe und Amplifizierung ihrer Messung. Wiederholen Sie die Aufnahme ihres biphasischen und monophasischen SAPs. Die Amplitude des mo-nophasischen SAPs kann größer sein als das biphasische SAP. Warum? Was passiert, wenn Sie jetzt die grüne und gelbe Messelektrode auf eine andere Position verschieben (gelb auf 8 cm und grün auf 9 cm)? Warum?

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(b) Stellen Sie wieder das Reizgerät so ein, dass die Reizung einen maximalen SAP auslöst. Vergewissern Sie sich, dass sich die Ableit-Elektroden in 1-3 cm Abstand befinden, z.B. auf Position 7 bzw. 10 cm. Nach Schließen der Kammer lösen Sie einen SAP aus. Öffnen Sie nun erneut die Reizkammer, nehmen Sie den Bindfaden (links neben Oszil-loskop) und binden Sie den Nerven zwischen den beiden Ableitungselektroden ab. Nach Schließen der Kammer lösen Sie einen weiteren SAP aus. Erklären Sie die Unterschiede der zwei auf dem Monitor gespeicherten SAP-Registrierungen.

Reizzeit und Reizstärke

1. Bestimmen Sie die SAP-Amplitude (mV) als Funktion der Reizstärke (mV). Fangen Sie an mit einer Reizzeit von 1 ms und einen Abstand von 20 mm zwischen den Messelekt-roden.

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2. Bestimmen Sie die minimale (a) und maximale (b) Schwelle a. Reizstärke, die einen ersten klaren SAP auslöst (ca. 0.5 mV): __________ mV b. Reizstärke, an der ein maximaler SAP ausgelöst wird __________ mV

3. Ist die Kurve (siehe 1) mit der ‚Alles-oder-Nichts’ Regel im Einklang? ...........................................................................................................................................

4. Bestimmen Sie die Verzögerung vom Beginn der Stimulierung bis zum Start des SAPs. a. Bei einem maximalen SAP (bitte benutzen Sie hier einen deutlich supra-maxi-

malen Reiz) b. Wenn kleine SAPs generiert werden (Stimulierung nahe des Minimum-Reizes) c. Können Sie erklären, welcher Prozess die Verzögerung verursacht und warum

die Verzögerung von der Reizstärke abhängt?

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5. Bestimmen Sie die minimale SAP Schwelle (ca. 0.5-1 mV) bei einem kurzen und einem langen Reiz (z.B. 0.2 und 2 ms) Reizzeit [ms]: 0.2 2 Reizstärke [mV]: ....... .......

6. Bestimmen Sie jetzt die minimale SAP Schwelle (ca. 0.5-1 mV) bei sehr langem Reiz (z.B. 5 ms). Dieser Wert der Reizstärke heißt Rheobase. Bitte verdoppeln Sie diesen Wert und ändern Sie die Reizzeit bis Sie die gleiche SAP Amplitude wie davor bekom-men. Dieser Wert der Reizzeit heißt Chronaxie. Nehmen Sie jetzt noch ein paar Werte auf, dann können Sie eine komplette Reizzeit-Reizstärke Kurve bestimmen.

Reizzeit [ ] Reizstärke [ ]

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Refraktärzeit

Stellen Sie die Reizzeit auf 0.5 ms ein und schalten Sie den Pulsgenerator auf Doppel-puls (‚twin’) um. Den Abstand zwischen den beiden Pulsen regeln Sie mittels des Delay-Schiebereglers. Stellen Sie die Reizstärke auf einen Wert etwas oberhalb der maximalen Schwelle. Lö-sen Sie einen Reiz aus. Beide SAPs sollten die gleiche maximale Amplitude haben. Notieren Sie die Werte in der Tabelle. Vermindern Sie nun mit dem Delay-Schieberegler den Reizabstand (notieren) und lösen Sie erneut einen Reiz aus und notieren Sie die Amplitude. Bei weiterer Verminderung des Abstands wird die Amplitude kleiner (notieren) bis schließlich kein SAP mehr aus-lösbar ist. Stellen Sie die Abhängigkeit der Amplitude vom Reizabstand graphisch dar und bestim-men Sie absolute und relative Refraktärzeit.

Delay (ms) SAP 1 (mV) SAP 2 (mV) rel. SAP 2 (% von 1)

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Dauer der Refraktärphasen:

absolute: ........... [ms] relative: …....... [ms]

Leitungsgeschwindigkeit

Stellen Sie eine Reizzeit von 1 ms und ausreichend hoher Reizstärke ein, so dass ein maximales SAP ausgelöst wird. Öffnen Sie die Experimentier-Kammer und schieben Sie die beiden Ableit-Elektroden nahe an die Reiz-Elektroden heran. Vermeiden Sie dabei Kontakt mit der Erdung (graues breites Feld bei 5 cm). Notieren Sie die cm-Positionen der Elektroden: 1 (rot) ........... 2 (blau) ........... 4 (grün) ........... 5 (gelb) ........... Schließen Sie die Kammer und lösen dann einen Reiz aus. Notieren Sie die gemes-sene Zeitverzögerung (Latenz): .................. [ms] Öffnen Sie die Reizkammer und schieben Sie die beiden Ableitungs-Elektroden und die Reiz-Elektroden möglichst weit auseinander. Notieren Sie sich die neuen Elektroden-Positionen: 1 (rot) ........... 2 (blau) ........... 4 (grün) ........... 5 (gelb) ........... Schließen Sie die Kammer und lösen wieder einen Reiz aus. Notieren Sie die gemes-sene Zeitverzögerung (Latenz): .................. [ms] Wie kommen eventuelle Formunterschiede der beiden SAP zustande? (Tipp: Der N. ischiadicus ist ein gemischter Nerv!) Berechnen Sie die Leitungsgeschwindigkeit des Nervens: ................................. [m/s]

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Warum werden für diese Berechnung zwei Messungen mit unterschiedlichen Elektro-den-Abständen zugrunde gelegt?

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Temperatur und Leitungsgeschwindigkeit

Es wurde schon darauf hingewiesen, dass manche Symptome einer multiplen Sklerose erleichtert werden können, wenn die Körpertemperatur etwas gesenkt wird. In dieser Aufgabe soll daher der Effekt der Temperatur auf die Leitungsgeschwindigkeit getestet werden. Lösen Sie ein SAP aus, dass Sie dann bei verschiedenen Temperaturen (z.B. 10, 20, 30 und 40 ºC) beobachten. Empfohlener Abstand zwischen den Messelektroden ist 2 cm). Messen Sie die Leitungsgeschwindigkeit bei zwei verschiedenen Temperaturen und be-stimmen Sie wie viel diese sich bei einer Temperaturänderung von 1 ºC ändert. Können Sie sich vorstellen, welcher Membranmechanismus diese Temperaturabhängig-keit verursacht? Können Sie erklären, warum die Form des SAPs sich ändert?