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Neurophysiologie Teil 2 Neurophysiologie Dr. med. univ. Wolfgang Dent

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Neurophysiologie Teil 2

Neurophysiologie

Dr. med. univ. Wolfgang Dent

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Verschaltung von Neuronen

Grundlegende Verschaltungen:

1:1-Verschaltung Konvergenz Divergenz

- Räumliche Vergrößerung des rezeptiven Feldes

- Komplexe Struktur des rezeptiven Feldes

- Zeitlicher Vergleich derInputs möglich

- Erhöhte Zuverlässigkeit bei redundanten Inputs

- Prä- und postsynaptischeZelle haben gleiche rezeptivenFelder

- Topologie-erhaltendeAbbildung des Reizortes

- Mehrere präsynaptische Neurone mit gleichem rezeptiven Feld

- Erhöhte Zuverlässigkeitder Populationsantwort beiunzuverlässigen Synapsen

Welche Möglichkeiten der Erregungsausbreitung kommen im ZNS vor?

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1:1-Verschaltung:

-Die Aktivität eines Reizes kann gewichtet übertragen werden durch Inhibition kann eine Umkehr des Vorzeichens stattfinden.

Konvergenz:

-Aktivität mehrerer präsynaptischer Neurone wird auf ein postsynaptisches Neuron integriert

-Synaptische Verbindungen können unterschiedlich stark sein

-Paralleles Auftreten von Exzitation und Inhibition

-Postsynaptische Neuron nimmt eine «Mittelung» vor

- In biologischen neuronalen Netzen ist die Interaktion nichtlinear

Welche Möglichkeiten der Erregungsausbreitung kommen im ZNS vor?

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Vorzeichenumkehr:

Möglichkeit Exzitation und Inhibition zu kombinieren Hemmung eines “Gegenspielers”Resultat: indirekte Verstärkung.

Präsynaptischer Reiz: a. direkte Weiterleitung an postsynaptische Neuroneb. Weiterleitung an postynaptische Interneurone bei der weiteren

Verschaltung Umkehrung der Vorzeichen

Welche Möglichkeiten der Erregungsausbreitung kommen im ZNS vor?

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Beispiel neuronaler Verschaltung

1870: Entdeckung einer neuen Kontrasttäuschung von Ludimar Hermann «Herrmann-Gitter»

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Die Kreuzungen des weißen Gitters erscheinen verdunkeltDie des schwarzen aufgehellt

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Abwandlungen Hermann-Gitters:- Aussparung der Kreuzungsstellen markante Aufhellung der Kreuzungen- Verstärkung des Effekts durch diagonale Kreuze.

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Beispiel rezeptiver Felder

Ganglienzellen N. opticus Zusammenlaufen vieler Rezeptoren der Netzhaut

Netzhaut:

Ca. 6.000.000 «Tag-Rezeptoren» (Zapfen) > 100.000.000 « Nacht-Rezeptoren» (Stäbchen).

N. opticus:

«nur» 1.000.000 N. opticus Fasern

Signale werden in rezeptiven Feldern zusammengefasst: funktionelle Einheiten: Bipolarzellen

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R: Stäbchen, C: Zapfen,H: Horizontalzelle, Bi: Bipolarzelle,A: Amakrinzelle, G: Ganglienzelle,GC: Ganglienzellschicht.

Bipolarzelle direkte Verbindung Rezeptor – N. opticusHorizontalzellen Verbindung Rezeptor zu BipolarzelleAmakrine Zellen Verbindung zw. Bipolarzelle und Ganglienzelle

Horizontal-, Amakrin- und Bipolarzelle: bei Reizung entweder Verstärkung (Exzitation) oder Abschwächung (Hemmung)

Beispiel rezeptiver Felder

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R: Stäbchen, C: Zapfen,H: Horizontalzelle, Bi: Bipolarzelle,A: Amakrinzelle, G: Ganglienzelle,GC: Ganglienzellschicht.

Rezeptive Felder der Ganglienzellen sind kreisförmig(Überlappungen, unterschiedliche Größe)

Lichtreiz: Hemmung oder Aktivierung; je nachdem ob der Lichtreiz ins Zentrum oder die Peripherie fällt

Unterscheidung von On-Zentrum Zellen und Off-Zentrum Zellen.

On-Zentrum Zelle: Lichtreiz im Zentrum VerstärkungLichtreiz im Umfeld Hemmung

Off-Zentrum Zelle: Lichtreiz im Zentrum HemmungLichtreiz im Umfeld Verstärkung

Fällt Licht auf das gesamte rezeptive Feld Entladungsrate teilweise gehemmt Lichtempfindung wird dann insgesamt weniger hell als wenn nur das Zentrum belichtet wird.= laterale Hemmung

z.B. rezeptive Felder

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z.B. rezeptive Felder

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z.B. rezeptive Felder

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z.B. rezeptive Felder

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Wie werden Reize im zentralen Nervensystem begrenzt und kontrastiert?

Aktivierende Neurone Hemmung über Kollateralen

Kollaterale Hemmung Begrenzung des Erregungsflusses

Kontrastierung eines Reizes (bessere „Abbildungsschärfe“)

Merke: Durch kollaterale Hemmung wird die Erregungsausbreitung begrenzt.

Gleichzeitig kommt es zu einer Kontrastierung des Reizes

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Wie kann eine Speicherung in Neuronenverbänden erfolgen?

Eine Erregung kann in „Erregungskreisen“ gespeichert werden:

„Erregungsspeicherung“:

E1 löst eine kreisende Erregung ausE2 hemmt die Übertragung auf den

EffektorE3 stoppt die kreisende Erregung

Über Neuron 7 kann bei ausreichend starkem EPSPs ein Effektor kontinuierlich aktivieren.

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Welche Zustände asynchroner und synchroner Hirnaktivität können registriert werden?

Wachzustand:

Neurone feuern üblicherweise asynchron:

Neurone des Hirnstamms halten Erregungsschwelle thalamischerRelaiszellen niedrig

Ankommende Impulse werden zum Kortex weitergeleitet

Schlaf:

Modifizierende Impulse aus dem Hirnstamm fallen weg:

Relaiszellen des Thalamus oszillieren und leiten rhythmische Aktivität zum Kortex weiter

Synchronisation / Desynchronisation

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Welche Strukturen im Cortex sind an der Entstehung des EEGs beteiligt?

Entstehung von EEG-Wellen

Afferentes Neuron: EPSP Reizort: Natriumeinstrom Extrazellularbereich negativ, intrazellular positiv Fluss von positiven Ionen extrazellulär zum Reizort, intrazellulär Fluss von negativen Ionen vom Reizort weg. Wenn viele Neurone involviert Entwicklung einer EEG-Welle an der Hirnoberfläche

Kortikale Pyramidenzelle

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Ableitung über EEG

Afferenz: aktivierende Zuflüsse z.B. aus dem Thalamus

Welche Strukturen im Cortex sind an der Entstehung des EEGs beteiligt?

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Welche Struktur des Cortex sind an der Entstehung des EEG beteiligt?

Fluktuierende Änderungen der elektrischen Dipole einer Pyramidenzelle

Jede Art von Dipol verursacht eine andere Art der EEG-Welle

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zeigen vielfach entgegengesetzte Potentialdifferenzen

«neutralisieren» sich gegenseitig haben damit keine Fernwirkung

schlussendlich keine Bedeutung fürs EEG

Nicht alles Strukturen haben eine Bedeutung fürs EEG

z.B. Sternzellen

Welche Strukturen im Cortex sind an der Entstehung des EEGs beteiligt?

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Merke: Die kortikalen Pyramidenzellen stellen bei Erregung kortikale Dipole dar.

bei exzitatorischen Impulsen verläuft der Strom nach innen (basal) bei inhibitorischen Impulsen (Reizort wird positiver) nach aussen.

Welche Strukturen im Cortex sind an der Entstehung des EEGs beteiligt?

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Cave:

Nachweis kortikaler Dipole ist von der Anatomie der Hirnwindungen abhängig:

Nur Dipole die radial (a) zur Kopfoberfläche stehen können im EEG voll erfasst werden.

Dipole, die in Hirnfurchen entstehen (tangential (b) zur Schädeloberfläche) gehen nur partiell in die EEG-Ableitung ein.

Welche Strukturen im Cortex sind an der Entstehung des EEGs beteiligt?

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Stellen sich im EEG alle kortikal entstehenden Wellen dar?

Langsame Wellen werden im EEG weitgehend unterdrückt

Ursache ist technischer Natur Verwendung von Wechselstromverstärkern

Durch Verwendung von Gleichstromverstärkern lassen sich auch langsame Potentiale besser darstellen.

Merke: Im EEG werden extrazelluläre Feldpotentiale abgeleitet, die nur ein ungefähres Bild der elektrischen Abläufe im Kortexbereich wiedergeben.

Im EEG werden hauptsächlich kortikale exzitatorische postsynaptische Membranpotentiale (EPSP) abgleitet.

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Welche Bedeutung haben die Thalamuszellen für die Entstehung von Rhythmen im EEG?

Thalamus: Funktion im Allgemeinen:

Empfang afferenter, bewusstseinsregulierenderImpulse aus der Formatio reticularis Weiterleitung zur Hirnrinde

- Regulierung der Aufmerksamkeit und des sensorischen Informationsflusses.

- Integration afferenter Signale.- Regulation von Wach- und Schlafphasen.- Aktivierende Schaltstation mit efferenten

Verbindungen zum Kortex.

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Welche Bedeutung haben die Thalamuszellen für die Entstehung von Rhythmen im EEG?

Unspezifische Thalamuskerne:

Kortikale Projektionen erfolgen diffus Besonders vielfältige Verbindungen V.a. mit der Formatio reticularis

Intralaminäre Kerne:

Verantwortlich für mehr globale EEG-Veränderungen Maßgebliche Bedeutung für die Vigilanzkontrolle

des Hirns

Nucleus reticularis thalami:

Wirkt wie eine spezielle Schnittstelle zwischen Thalamusund Kortex

Besondere Bedeutung für die Rhythmusbildung im EEG

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Welche Bedeutung haben die Thalamuszellen für die Entstehung von Rhythmen im EEG?

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Welche anatomischen Strukturen können das EEG stören?

Bei Positionierung von EEG-Elektroden auf Blutgefäßen bilden sich typische pulssynchrone Delta-Wellen = Pulsartefakte

Störungen von EEG-Wellen

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Welche anatomischen Strukturen können das EEG stören?

Bei zu hohem Hautwiderstand AmplitudenminderungVermehrte Schweißproduktion unterlagerte Subdelta-Wellen

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Welche anatomischen Strukturen können das EEG stören?

Vermehrte Anspannung der Muskulatur des Kopfes (z.B. Kaumuskulatur) Schnelle Beta-Wellen (Muskelartefakte)

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Welche anderen biologischen Artefakte sind beim EEG besonders häufig?

Augen: stellt einen Dipol dar

Augenbewegungen wirken sich auf die frontalen und fronto-temporalen Ableitpunkte aus.

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Sensibles System

Dimensionen der Reizaufnahme:

- Ort der Reizentstehung: - Exerozeption: Aufnahme äußerer Reize: Haut, Schleimhaut- Interozeption: Viszerozeption: Innere Organe

Propriozeption: Muskulosekeltales System Lage, Spannungs- und Bewegungszustand

- Ort der Reizaufnahme: - Oberflächensensibilität- Tiefensensibilität

- Art des Reizes:- Protopatische Sensibliltät: Schmerz & Temperatur- Tiefensensibilität: Druck, Berührung & Vibration

Wie verläuft ein normaler sensibler Reiz?

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Dimensionen der Reizaufnahme:

- Art der aufnehmenden Rezeptoren:- Mechanorezeption: Berührung, Druck, Vibration, Dehnung, etc.- Thermorezeption: Kälte, Wärme- Nozizeption: Schmerz- Chemorezeption: pH-Wert, O2-Partialdruck, CO2-Partialdruck

- Art der Wahrnehmungsrichtung:- haptische Wahrnehmung: aktives Erfühlen eines Objekts- taktile Wahrnehmung: passive Wahrnehmung von Berührungen

beide zusammen ergeben den Tastsinn

Wie verläuft ein normaler sensibler Reiz?

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Wie verläuft ein normaler sensibler Reiz?

Reize werden über Nerven über die Hinterwurzel zum Rückenmark fortgeleitet:

Funiculus posterior (Hinterstrang): epikritische Sensibilität

Tracutus spinothalamicus anterior: protopathische Sensiblität

Tracutus spinothalamicus lateralis: NozizeptionThermorezeption

Tractus spinocerebellaris anterior: Propriozeption

Tracuts spinocerebellaris posterior: Tiefensensibilität

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Welche Besonderheiten weist die Schmerzleitung auf?

Schmerzreize werden im Rückenmark umgeschaltet

Beeinflussung durch externe Reize möglich:

z.B. Reiben eines eingeklemmten FingersAbsteigende Bahnen aus Cortex und Hirnstamm

Hemmung Schmerzleitung

Spezielle Neurotransmitter des Schmerzsystems: Endorphine (endogen)

Merke: Die Schmerzwahrnehmung kann kortikal beeinflusst werden

Merke: Endorphine Spezielle Neurotransmitter des Schmerzhemmungssystems.

Sie wirken an den selben Rezeptoren wie die Morphine

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Welche Besonderheiten weist die Schmerzleitung auf?

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Was sind somatosensorisch evozierte Potentiale?

Somatosensorisch evozierte Potentiale (SEP / SSEP)

Aufzeichnung der elektrischen Antwort schnell leitender sensibler Nervenbahen

Ableitung der Reize an verschiedenen Stellender Nervenbahn:

Zumeist beim Eintritt ins Rückenmark unddem betreffenden Hirnareal

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Was sind somatosensorisch evozierte Potentiale?

Merke: Amplitudenreduktion des SEP eher axonale SchädigungLatenzverzögerung eher Demyelinisierung

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Wie lässt sich die Motorik zusammenfassend darstellen?

- Perfektes Zusammenspiel zwischen Hirn, Rückenmark und den >650 Muskeln desmenschlichen Körpers: komplexe motorische Fähigkeiten.

- Motorische Zentren planen und initiieren Bewegungsabläufe.

- Motorische Signale gelangen über das Rückenmark und die Motoneurone zu den Muskeln Umsetzung dort in Bewegungen.

- Über sensorische Rückmeldungen erfolgreiche Umsetzung/Koordination der Bewegungen.

-Ob Fahrradfahren oder Skilaufen – einmal erlernt laufen viele Bewegungen unbewusst und automatisch ab.

Motorisches System

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Wie lässt sich die Motorik zusammenfassend darstellen?

Entscheidung für Bewegung: Präfrontalbereich

Impuls: Kortikales motorisches Zentren Leitung an Kleinhirn und die Basalganglien: Dort Abgleichung der geplanten Bewegung. Dann Weiterleitung via Pyramidenbahn zur motorischen Vorderhornzelle Dort Umschaltung auf zweites Neuron Umsetzung in Bewegung (Muskulatur)

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- Primärmotorischer Cortex- Prämotorischer Cortex- Supplementärmotorischer Cortex- Posterior parietaler Cortex

Welche Bestandteile werden zum motorischen System gerechnet?

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Welche Bestandteile werden zum motorischen System gerechnet?

Primärmotorischer Cortex (M1; Pyramidenbahn)

Willkürmotorik: Tractus corticospinalis (schnell leitende, dickmyelinisierteNervenbahnen), Verbindung Kortex – Vorderhornzellen

Ursprung:Gyrus präcentralis (Area 4 – Brodmannsche Felder: Sulcus lateralis, Mantelkante, mediale Seite der Hirnhälfte)

Schlund & Kehlkopf, Gesicht, Arme, Rumpf, Beine – «Motorischer Homunkulus»

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Prämotorischer Cortex (PMC):

Lokalisation: zw. primär motorischem Cortex (M1)und präfrontalem Cortex

Anatomie: Rindengebiet der Area 6 (Brodmann)liegt vor dem M1 und lateral auf der Hirnoberfläche

Aufgaben: komplex: - sensomotorische Koordination- direkte Bewegungskontrolle im Rückenmark- Erstellung von Bewegungsentwürfen.

Welche Bestandteile werden zum motorischen System gerechnet?

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Prämotorischer Cortex (PMC):

Spiegelneurone: bei der Betrachtung eines Vorganges werden beim Betrachter die gleichen Aktivitätsmuster aktiviert, wie bei dessen „eigener“ Ausführung.

Welche Bestandteile werden zum motorischen System gerechnet?

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Supplementärmotorische Cortex (SMA):

Lokalisation: Facies medialis und apikale Bereiche der Facies superolateralils des Lobus frontalis.

Aufgaben: Komplexe Bewegungsprogramme (Basalganglien, Kleinhirn und andere Zentren) werden erstellt und initiiert wichtig für das Erlernen von Handlungsfolgen und Koordination der Hände bei beidhändigen Aufgaben.

Welche Bestandteile werden zum motorischen System gerechnet?

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Posterior parietaler Cortex:

Lokalisation: Facies medialis und apikale Bereiche der Facies superolateralils des Lobus frontalis.

Aufgaben: sensorische Kontrolle von Bewegung, Wahrnehmung des Raumes und Orientierung im Raum.

Welche Bestandteile werden zum motorischen System gerechnet?

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Stammganglien = Basalganglien

im engeren Sinn:Nucleus caudatus und Nucleus lentiformis mit Putamen und Globus pallidus

im weiteren Sinn:Substantia nigra, Nucleus subthalamicusund Nucleus accumbens.

Welche funktionelle Bedeutung haben die Stammganglien?

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Stammganglien = Basalganglien

Filterung und Prozessing vonmotorischen und komplex-integrativen Handlungsmustern

Regelkreis:Cortex Basalganglien Thalamus Cortex (Frontallappen)

Welche funktionelle Bedeutung haben die Stammganglien?

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Welche funktionelle Bedeutung haben die Stammganglien?

Bei Schädigung: Dystonie und Hyperkinese

Zu neurologischen Auffälligkeiten gehören:

Parkinson-Syndrome (ab 50% Verlust der Substantia nigra)Parkinson-Krankheit, Multisystematrophie, Hallervorden-Spatz-Syndrom

Dystonie-SyndromeTorticollis spasmodicus, Athetose, Tardive Dystonie

Chroeatische SynsdromeMorbus Fahr, Chorea Huntington, Hemiballismus, Tardive Dyskinesie, Choreoathetose

ADHS (Aufmerksamkeitsdefizits-und-Hyperaktivitätssyndrom, Zappelphilipp-Syndrom)

Tic-StörungenTourette-Syndrom

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Welche funktionelle Bedeutung haben die Stammganglien?

Bei Schädigung: Dystonie und Hyperkinese

Zu neurologischen Auffälligkeiten gehören:

Parkinson-Syndrome (ab 50% Verlust der Substantia nigra)Parkinson-Krankheit, Multisystematrophie, Hallervorden-Spatz-Syndrom

Dystonie-SyndromeTorticollis spasmodicus, Athetose, Tardive Dystonie

Chroeatische SynsdromeMorbus Fahr, Chorea Huntington, Hemiballismus, Tardive Dyskinesie, Choreoathetose

ADHS (Aufmerksamkeitsdefizits-und-Hyperaktivitätssyndrom, Zappelphilipp-Syndrom)

Tic-StörungenTourette-Syndrom

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Welche funktionelle Bedeutung hat das Kleinhirn für die Motorik?

Kleinhirn:

Man unterscheidet drei Anteile:

Vestibulocerebellum: Lobus flocculonodularisSpinocerebellum: Wurm und angrenzende BereichePontocerebellum: den seitlichen Hemisphären entsprechend

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Welche funktionelle Bedeutung hat das Kleinhirn für die Motorik?

Vestibulocerebellum:

Funktion: erhält Informationen über Körperlage und -bewegungen.

Steuerung der Halte- und Stützmotorik; Feinabstimmung fast aller Augenbewegungen

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Welche funktionelle Bedeutung hat das Kleinhirn für die Motorik?

Spinocerebellum:

Funktion: wird aus dem RM über Stellung des Körpers informiert- Vermis: v.a. Stand-, Gang- und Stützmotorik.- angrenzenden Hemisphärenanteile:

Zielmotorik und der Bewegungsdurchführung,dass eine Bewegung wie geplant abläuft; ihr Ziel exakt trifft.

u.a. die für das Sprechen notwendige feine Abstimmung der beteiligten mimischen und Kehlkopfmuskulatur

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Welche funktionelle Bedeutung hat das Kleinhirn für die Motorik?

Pontocerebellum:

Funktion: erhält viele Signale aus prämotorischen Zentren im Frontallappen (PMC & SMA Bewegungsentwürfe) = eher grobe Entwürfe

laterale Kleinhirnhemisphären: Weiterentwicklung und Feinabstimmung dieser Entwürfe (Modulierung und Korrektur).

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Wie ist das vegetative Nervensystem organisiert?

Das menschliche Nervensystem:

Anatomische Einteilung:

Zentrales Nervensystem (ZNS): Gehirn und RückenmarkPeripheres Nervensystem (PNS): alle anderen, peripheren Nerven

Funktionelle Einteilung:

Somatisches Nervensystem: Willkür vom Menschen beeinflusst und kontrolliert: zum Beispiel: Planung, Durchführung und Koordination von Bewegungen.Vegetatives Nervensystem (VNS): wird nicht willkürlich gesteuert = „autonomes Nervensystem“

Vegetatives Nervensystem

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Unterteilung in Parasympathikus & Sympathikus:

Wie ist das vegetative Nervensystem organisiert?

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Sympathikus:

Bereitet uns auf Aktivität vor.

Heben und Offenhalten der Lider. Vasokonstriktion Blutdrucksteigerung:

Blutversorgung des Hirns beim Aufstehen Aktivität der Schweißdrüsen: Kühlung des Körper. bei psychischer Anspannung:

Aktivierung des sympathische Nervensystems: Tachykardie, Hypertonie, Verlangsamung der Darmtätigkeit, vermehrte Ausschüttung von Adrenalin über die Nebennieren

Parasympathikus:

Tritt in Phasen der Erholung in den Vordergrund:

Verlangsamung mancher Körperfunktionen: z.B. Puls und Atmung,

Anregung anderer Funktionen: z.B. Verdauung.

Wie ist das vegetative Nervensystem organisiert?

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Sympathicus:

Nerven werden über paravertebrale Ganglien in den Körper geschickt.

Parasympathicus:

Impulse werden über die Hirnnerven und sakrale Rückenmarkskerne in die Peripherie geleitet.

Wie ist das vegetative Nervensystem organisiert?

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Wie unterscheiden sich Sympathikus und Parasympathikus bezüglich ihrer Transmitter?

Sympathikus:

Kurze präganglionäre und lange postganglionäre Fasern:Präganglionär: AcetylcholoinPostganglionär: Noradrenalin Alpha-/Betarezeptoren

Parasympathikus:

Prä-/Postganglionär: Acetylcholin

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Sympthicus: postganglionär Adrenozeptoren:

Agonisten vs. Antagonisten:

Adrenalin & Noradrenalin: Notfalltherapeutika

Alphablocker (Hemmung α1-Adrenozeptoren):- Senkung Blutdruck- Benigne Prostatahyperplasie (Entspannung Muskulatur

der Prostata & Harnröhre)

Alphablocker (Hemmung α2-Adrenozeptoren):- Erektile Dysfunktion (Erweiterung der Gefäße)- Nasenspray (Abschwellung Nasenschleimhaut)

α2-Adrenozeptoragonisten- Antihypertensiva- Glaukombehandlung

Betablocker (James Whyte Black: Nobelpreis):- Behandlung des Bluthochdrucks- Koronare Herzkrankheit- Chronische Herzinsuffizienz- Herzrhythmusstärungen- Migräne

β2-Sympathomimetika- Asthma bronchiale- COPD- Tokolytika (Geburtshilfe)

Wie unterscheiden sich Sympathikus und Parasympathikus bezüglich ihrer Transmitter?

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Klinischer Bezug:Betarezeptorenblocker:

Über Gefässerweiterung BlutdrucksenkungÜber Bronchokonstriktion Auslösung von

akutem Asthma bronchiale

Cave Betablocker bei Asthma bronchiale kontraindiziert.

Nebenbemerkung:

Durch die Verminderung des Neurotransmitters Noradrenalin (u. Adrenalin) können Betablocker Angst reduzieren Inderal (= Propanolol) bei Lampenfieber.

Wie unterscheiden sich Sympathikus und Parasympathikus bezüglich ihrer Transmitter?