Sensoren - univie.ac.at

22
1 Bioelektr4 1 Sensoren: Sensorische Rezeptorzellen: Übertragen spezifische Reize aus der Umwelt in das Nervensystem •spezialisierte Neuronen, durch Stimulus aktiviert und Info an Zentralnervensystem weitergeleitet, oder: Rezeptorzelle, funktionell (über Synapse) mit aferenten Neuron verbunden --- weiter an ZNS Sinnesorgane enthalten zusätzliche Strukturen, damit --> Filterung oder Umwandlung der Reize aus der Umwelt Rezeptoren antworten auf spezifischen Reiz mit spezifischer Antwort. (Adequater Reiz) Vier Hauptgruppen: Mechano-, Thermo-, Photo,- und Chemorezeptoren Bioelektr4 2 Rezeptor Energie- Rezeptor Rezeptor- form organ Zelle O 2 pO 2 Karotid Zell und Arteriell Körper Nerven- endigung Ge- Ionen Zunge Geschmacks schmack Moleküle Knospen Ge- Moleküle Nase Geruchs- ruch rezeptoren

Transcript of Sensoren - univie.ac.at

Page 1: Sensoren - univie.ac.at

1

Bioelektr4 1

Sensoren:Sensorische Rezeptorzellen:Übertragen spezifische Reize aus der Umwelt in das Nervensystem

•spezialisierte Neuronen, durch Stimulus aktiviert und Info anZentralnervensystem weitergeleitet, oder:• Rezeptorzelle, funktionell (über Synapse) mit aferenten Neuronverbunden --- weiter an ZNSSinnesorgane enthalten zusätzliche Strukturen, damit --> Filterung oder Umwandlung der Reize aus der UmweltRezeptoren antworten auf spezifischen Reiz mit spezifischer Antwort.(Adequater Reiz)

Vier Hauptgruppen:Mechano-,Thermo-,Photo,- undChemorezeptoren

Bioelektr4 2

Rezeptor Energie- Rezeptor Rezeptor- form organ Zelle

O2 pO2 Karotid Zell und Arteriell Körper Nerven- endigung

Ge- Ionen Zunge Geschmacksschmack Moleküle Knospen

Ge- Moleküle Nase Geruchs-ruch rezeptoren

Page 2: Sensoren - univie.ac.at

2

Bioelektr4 3

Rezeptor Energie- Rezeptor Rezeptor- form organ Zelle

BerührungDruck mechanisch Haut Nerven-Schmerz endigung

Temperatur Temp. Nerven- endigung

Dehnung MuskelspindelSpannung mech. Sehnenorgan Nerven-Gelemkdruck Gelenkkapsel endigung

Hören mech. Innenohr Haarzellen (Cochlea)

Bioelektr4 4

Rezeptor Energie- Rezeptor Rezeptor- form organ Zelle

Sehen Photonen Auge Photorezeptor

Wenn Rezeptor Reiz empfängt:

Stimulus

Membranpotentialänderung

Ionenstrom

Rezeptorpotential

Aktionspotential

Page 3: Sensoren - univie.ac.at

3

Bioelektr4 5

Transduktionsvorgang:Bei Reiz ändert sich die Membranleitfähigkeit der Rezeptorzelle.Dadurch ändert sich das Potential---> Rezeptorpotential (Generatorpotential). Dieses ist von der Reizstärke abhängig (graduelle Depolarisation)im Neuron wird vom Rezeptorpotential abhängig eine Frequenz vonAktionspotentialen gebildet (Frequenzcode).An Synapsen wird Transmitter ausgeschüttet

Abb 8.2.B Atwood

Bioelektr4 6

Reizintensität (logarithmisch)

Akt

ions

pote

ntia

le p

ro S

ekun

de

Sättigung

Page 4: Sensoren - univie.ac.at

4

Bioelektr4 7

Membrankanal der sich bei Reiz in Leitfähigkeit verändert:

Molekül bindet an RezeptorDadurch wird der Kanalgeöffnet

Photorezeptor: BeiAbsorption einesPhotons wird secondmessenger emittiert, derIonenkanäle beeinflußt

Abb 8.2.C Atwood

Bioelektr4 8

Informationskodierung:

Rezeptorpotential ist Reizabhängig: Großer Reiz ---> großes Potential

Nervenfaser: Anzahl der Aktionspotentiale pro Zeitienheit (Frequenz)umso größer je größer RezeptorpotentialGröße des Reizes als Frequenz der Aktionspotentiale kodiert.Rezeptorpotentialmuß bis zur Impulsentstehungszone mitausreichender Spannung gelangen.

Häufig: bei gleiche Stimulus sinkt Größe des Rezeptorpotentials ab-----> Anzahl der Aktionspotentiale sinkt: Adaptation. langsame und schnelle

Wegen Adaptation können Änderungen eines Reizes besserregistriert werden

Page 5: Sensoren - univie.ac.at

5

Bioelektr4 9

Abb 8.3.A Atwood

Bioelektr4 10

verschiedene Adaptationen Abb 8.3B Atwood

Page 6: Sensoren - univie.ac.at

6

Bioelektr4 11

Chemorezeptoren: Moleküle binden an Proteine in der Rezeptorzelle,die Membrankanäle öffnen:Größe und Form des Moleküls bestimmen die Reaktion mit Rezeptor.Erregung oder Hemmung sind möglich.

Aktions-potentiale

Ruhe Erregung erregende Wirkung

Aktions-potentiale

Ruhe Erregung hemmende Wirkung

Bioelektr4 12

Geschmachs- undGeruchsrezeptoren

Geschmack:•süß•sauer•salzig•bitter

Geruch: 7 Rezeptoren

Mit Erregung + Hemmung viele mögliche Kombinationen

Thermorezeptoren: für Kalt und warm

Mechanorezeptoren: für schnelle Änderungen kontinuierliche mechanische Stimuli

Abb 8.4A Atwood

Page 7: Sensoren - univie.ac.at

7

Bioelektr4 13

Mechanorezeptoren besoders wichtig in den Muskelnsind mehrere spezielle Muskelfasern,die bei Verlängerung Aktionspoteniale aussenden (primäreEndigungen)die bei konstanter Länge “antworten” sekundäre Endigungen

Andere Mechanorezeptoren: Gleichgewichtssinn und Ohr.

Haarzellen: haben Zilien. Bewegung der Zilien in einer RichtungstimmuliertMembranpotential,in andere Richtungwird das Potentialgehemmt.Abb. 8.8B rechts.

Bioelektr4 14

Atwood 8.8B links Haarzellen haben synaptischeKontakte mit aferentenNervenfasern, Kontekt miteferenten Nervenfasernsteuern Sensitivität.

Haarzellen in gelatinöser Masse mit eingelagerten Kalzitkristallen(0.5 µm): Otolithenmembran oder Kupula,

Beschleunigungsmesser: Verbiegung der Zilien Atwood 8.8C oben

Page 8: Sensoren - univie.ac.at

8

Bioelektr4 15

Gleichgewichtsorgan: drei Bogengänge mit Endolymphe gefüllt.Bei Drehung des Kopfes verschiebt sich die Kupula.Registrierung nur bei Veränderung

Atwood 8.8A

Atwood 8.8C unten

Bioelektr4 16

Tonwahrnehmung:Schall über Trommelfell, Gehörsknöchelchen als Hebel (Hammer,Amboß, Steigbügel) in Flüssigkeit der Schnecke (Kochlea).Schall geht durch Schnecke.Basilarmembran mit Haarzellen teilt Schnecke und absorbiertEnergie.

Abb. 8.9 Atwood

Page 9: Sensoren - univie.ac.at

9

Bioelektr4 17

Vorselektion des Schalles: In der Nähe des ovalen Fensters habenWellen hoher Frequenz große Amplitude, gegen Ende der Schnecke die niederen Frequenzen.Abb. 8.9B Atwood

Bioelektr4 18

Schallwahrnehmung: Basilarmembran vibriert. Basilarmembran verschiebt sich gegen Tektorialmembran,Zilien verbiegen sich, Depolarisation bzw. Hyperpolarisation Jenach Bewegungsrichtung.

Abb. 8.10.A Atwood

Membranpotential der Haarzellen ändert sich wie Schallschwingung:Mikrophonpotential. Bei höherer Schallamplitude, mehr Zellenwerden erregt.

Page 10: Sensoren - univie.ac.at

10

Bioelektr4 19

Darauffolgende Aktionspotentiale:Niedrige Frequenzen, bis 200Hz:Bei jedem VibrationszyklusAktionspotential(f < 200 Hz----> T > 5 ms

Abb 8.10B Atwood

200 …. 2000Hz: Nervenimpulsin konstanter Phasenbeziehungzum Mikrophonpotential, abernicht bei jedem Zyklus

> 2000 Hz: keine fixe Phasenbeziehung

Informationskodierung:Position der Haarzelle: Information über FrequenzFrequenz des Aktionspotentials der einzelnen aferenten Fasern: FrequenzZahl der rekrutierten Nervenfasern: Intensität

Bioelektr4 20

Auge

optisch:Fokussierung durchKornea (Hornhaut)und LinseAkkomodation überBrechkraft der LinseLichtmenge überPupille (aber nur1:5)Scharfes relles Bildauf der Retina,

Abb. 8.11A Atwood

Page 11: Sensoren - univie.ac.at

11

Bioelektr4 21

Rezeptoren liegen vor derpigmentierten Epithelzellenschicht.(verhindert Reflexe)Axone der Ganglienzellen gehenzum nervus opticus (blinder Fleck)Größte Konzentration der Sehzellenin der Fovea (gelber Fleck)

Abb. 8.11B

Zwei Rezeptortypen:Stäbchen (hoch lichtsensitiv): im ganzen Auge lokalisiert, keinbesonders scharfes Sehen, werden bei großer HelligkeitinaktiviertZapfen: in Fovea konzentriert, daher scharfes Sehen, Farbsehen.

Bioelektr4 22

Morphologie der Sehzellen:Abb. 8.12A Atwood

Sehen mitStäbchen: in derDunkelheit:skotopisch, eherblauempfindlichSehen mitZäpfchen:Maximum bei Grün

Page 12: Sensoren - univie.ac.at

12

Bioelektr4 23

Informationskodierung beim Farbsehen:3 Grundfarben: Rot, Grün, Blau,

Nur Grundfarbe grün

Nur Grundfarbe rot

Nur Grundfarbe blau

Rot + Grün

rot + blau

rot + grün (weniger hell)

Bioelektr4 24

3 Typen von Zapfen Sehzellen:

Es gibt 3 Pigmente, die verschieden absorbieren:sensitiv für kurze Wellenlängen (S.. short oder k .. kurz): Blau mittlere Wellenlängen (m): Grün lange Wellenlängen (l): Rot

Abb 8.13 Atwood:

Absorption derPigmente

Page 13: Sensoren - univie.ac.at

13

Bioelektr4 25

Es gibt wenige Zapfen vom Typ S, daherrelative Sensitivität klein Abb. 8.13b Atwood

Trichromatisches Sehen

Abb. 8.13c Atwood

Bioelektr4 26

Absorption von Licht durch Moleküle der Farbpigmente führt zuÄnderung des Membranpotentials der Sehzellen

Sehfarbstoff Rhodopsin ist in der Membran (Membranscheibchen beiStäbchen, Membraneinfaltungen bei Zäpfchen) eingelagert. Bestehtaus Proteinanteil Opsin und Aldehyd 11-cis Retinal. Opsin bestimmtWellenlängenbereich der Absorption.

Abb. 8.15A Atwood

Page 14: Sensoren - univie.ac.at

14

Bioelektr4 27

Absorbiertes Photon aktiviert Phodopsin 11- cis ---> all-trans RetinalAktiviertes Rhodopsin stimuliert Enzyme:Transducin und cGMP(zyklisches Guanosinmonophosphat)-Phosphodiesterase. Diese wird hydrolisiert und schließt die NaKanäle -----> HyperpolarisationAbb. 8.15 B Atwood

Bioelektr4 28

1 Photon hydrolisiert tausende cGMP-Moleküle,---->Schließung einger 100 Natriumkanäle.

Abb. 8.15C

Page 15: Sensoren - univie.ac.at

15

Bioelektr4 29

Im Dunklen wieder all-trans Retinal zu 11-cis Retinal isomerisiert.(bestimmt die Dunkeladaptation)[Retinal ist Aldehyd des Retinol (Vitamin A)Mangel ---> Nachtblindheit] Abb. 8.14A Atwood

Zusammenfassung der Wirkungeines Photons:Absorption des Photons-->Sehpigment verändert sich --> Phosphodiesterase aktiviert-->cykl. Guaninmonophosopat aktiviert---> Na Kanäle geschlossen---> Zelle hyperpolarisiert---> weniger Transmitter in Synapse--> Synaptisches Potential in der bipolaren Zelle

Bioelektr4 30

Im Dunklen: Photorezeptor leicht depolarisiertda Na Kanäle etwas offen ---> Transmittersubstanz freigesetzt

Im Hellen: Na+Eínstrom gering, --Hyperpolarisation,-->kein Transmitter

Zapfenrezeptor-potentiale sindschnell, abergeringereSpannung.Stäbchenrezeptor-potentiale sindgrößer, aberlangsamer.Rezeptorpotentialvon der Größe desStimulus abhängig

Page 16: Sensoren - univie.ac.at

16

Bioelektr4 31

Die Sehzellen sind über die Synapsen mit den bipolaren Zellen verbunden.Es gibt ON und OFF Zellen. Die ON Zellen feuern Aktionspotentiale beiLicht (werden durch den Transmitter hyperpolarisiert, bei Lichteinfall[kein Transmitter] depolarisiert), die OFF Zellen bei Dunkelheit, Abb. 15.1A Atwood

Bipolare Zellengenerieren keinAktionspotential,sondern leitenpassiv diesummiertenpostsynaptischenPotentiale undsetztenproportional zurMembranpolarisa-tion synaptischeVesikel frei

Es gibt ON und OFF bipolare Zellen und ON und OFF Ganglienzellen.

Bioelektr4 32

Untereinander sind die Sehzellen über horizontale Zellen verschaltet,die inhibitorisch wirken (dazu später)Prinzipiell ist ein rezeptives Feld (z.B. druckempfindliche Stelle) miteinem primären sensorischen Neuron verschaltet. Mehrere rezeptiveFelder werden werden von einem Projektionsneuron vereiningt.

Je mehr Verschaltungen, desto “ungenauer” die Information

Abhilfe: laterale Inhibition

Page 17: Sensoren - univie.ac.at

17

Bioelektr4 33

Verschaltung der Rezeptoren vergrößert das exzitatorische Gebiet.

Bioelektr4 34

Inhibition: Aktivität benachbarten Neuronen wird begrenzt fallssie weniger aktiv sind. Feedback inhibition

Exzitatorisch rezeptives FeldInhibatorisch rezeptives Feld

Feedforward inhibition: eine Gruppe von Neutronen inhibiert andere:zentraler Bereich hoher Aktivität, umgeben von Ring schwacherAktivität: “Der Sieger bekommt alles”, Selektive Wahrnehmung einesReizes, ignorieren der Anderen

Distale Inhibition: Nevenzellen höherer Zentren können die in dieRelaiskerne eingehende Information kontrollieren.

Page 18: Sensoren - univie.ac.at

18

Bioelektr4 35

Laterale Inhibition durch hemmende Interneuronen.Erregungsgebiet bleibt begrenzt. Durch die Feedback Inhibitionsinkt die Entladungsrate unter das Ruheniveau. Kontrast wirdverstärkt

Bioelektr4 36

Page 19: Sensoren - univie.ac.at

19

Bioelektr4 37

Abb 15.1b Atwood

Verschaltung der Sehzellen mithorizontalen Zellen (hemmendeInterneuronen).Das zentrale (rezeptive) Feld wirddirekt durch die bipolaren ZellenübertragenDas periphäre Umgebungsfeld istüber horizontale Zellen bipolarverbunden. Bei Stimulation derPhotosensoren im rezeptiven Feldwerden die Rezeptoren in derUmgebung gehemmt.

Bioelektr4 38

Abb 15.1b Atwood ist zentrales Feld einer Ganglienzelleauf ON, dann ist Umgenung auf OFFWenn Feld und Umgebunggleichzeitig gereizt, keineNettoantwort.----> Unterschiede in derBeleuchtungsstärke zwischenUmgebung und Zentrum werdenregistriert.

Kontrastmuster sind die wichtigste Info.Intensität untergeordnet (Sonne --Wolke)

Sowohl ON als auch OFF Zellen sind wichitg.

Page 20: Sensoren - univie.ac.at

20

Bioelektr4 39

Betrachte ON Ganglienzellen eines rezeptiven Feldes (umgebenvon OFF Zellen):

Sowohl Zentrum als auch Umgebungfeuert geringe Frequenz anAktionspotentialen (Bereitschaft)

Lichtpunkt ins Zentrum:Aktionspotentiale im Innenbereich

Lichtpunkt ins Umfeld:Durch Inhibition wenigerAktionspotentiale im Zentrum

Abb. 22.7 Kandel

Bioelektr4 40

Falls Zentrum voll beleuchtet:mehr Aktionspotentiale

Falls Umfeld voll beleuchtet:Ausfall der AktionspotentialeNAch Ende der Beleuchtung:mehr Aktionspotentiale

Zentrum und Umgebung gleichbeleuchtet: Kaum Änderung derAktionspotentiale

Abb. 22.7 Kandel

Page 21: Sensoren - univie.ac.at

21

Bioelektr4 41Abb. 22.7 Kandel

Betrachte OFF Ganglienzellen eines rezeptiven Feldes (umgebenvon ON Zellen):

Bei Licht im Zentrum, keinAktionspotential. Anstieg derFrequenz nach Ende derBelichtung

Licht in Umgebung: Aktionspotentiale

Bioelektr4 42Abb. 22.7 Kandel

Analog bei mehr Licht im Zentrum

bzw. Umgebung

Bei gleichmäßiger Beleuchtung:kaum Änderung derAktionspotentiale, aber danach

Page 22: Sensoren - univie.ac.at

22

Bioelektr4 43

Gleichzeitige Verarbeitung in ON und OFF Zellen hat Vorteile:Bei Schwacher Beleuchtung: Aktionspotentiale mit niedrigerFrequenz. Mehr Beleuchtung ON Frequenz steigt.Weniger Beleuchtung: ON Frequenz kann sich wenig ändernABER: OFF Frequenz steigt.