4. Neurobiologie

Falls Du die Begriffe elektrische Spannung, Potenzial und Stromstärke nicht gut unterscheiden kannst, informiere Dich zunächst hier mit diesen beiden Filmen:  

Das Fach NwT erarbeitet diese Begriffe sehr praktisch anhand eines LernBausteins und einem Elektrik-Koffer. Hier findest Du den Link zu diesem LernBaustein:

Eine Doppelkammer ist in der Mitte mit einer für Kationen permeablen Membran geteilt. In die eine Hälfte der Kammer wird destilliertes Wasser, in die andere Hälfte eine 1-molare Kaliumchlorid-Lösung (KCl) gefüllt.

• Formuliere eine Hypothese, was passieren wird.
• Überprüfe die Hypothese anhand dieser Bilderserie:

An jeder nicht erregten Nervenzelle liegt eine Membranspannung von etwa -70mV an, diese wird vereinfacht Ruhepotenzial genannt. Wie diese entsteht zeigt der kurze Animationsfilm unten. Wiederhole zuvor den Aufbau der Membran und lerne die entscheidenden Membranproteine kennen.

Wenn der Zellkörper (Soma) einer Nervenzelle erregt wird, sinkt dort die Membranspannung von -70mV in Richtung 0mV ab. Sinkt das Membranpotenzial in der Nähe des Axonhügels unter einen bestimmten Wert, reagiert das Axon mit der Ausbildung von sogenannten Aktionspotenzialen. Diese laufen immer gleich ab, können aber unterschiedlich oft hintereinander entstehen. Die Aktionspotenziale wandern das Axon hinunter in Richtung der Synapsen. Die Nervenzelle codiert die Erregung im Zellkörper also in eine Abfolge von Aktionspotenzialen und leitet diese durch das Axon weiter. Die folgende Animation stellt diese Prozesse dar.

• Beobachte zunächst den Ablauf insgesamt: welche Prozesse laufen zeitgleich ab?
• Beobachte anschließend genauer die Auswirkungen einer Erregung am Zellkörper und anschließend die Auswirkungen am Axon.

Spiele anschließend diese Simulation durch, um die Zusammenhänge zwischen Reiz, Membran- und Aktionspotenzialen genauer zu verstehen:

• Finde die Zusammenhänge zwischen Stärke / Dauer der elektrischen Erregung, dem Membranpotenzial und den Aktionspotenzialen heraus.
• Erkläre in diesem Zusammenhang das "Alles-oderNichts-Gesetz".

Mit dem folgenden Film erfährst Du nun, wie ein einzelnes Aktionspotenzial auf Membranebene entsteht. 

• Beobachte zuerst wieder den Ablauf insgesamt.
• Beobachte anschließend die einzelnen Phasen, halte den Film jeweils an der passenden Stelle an.

Wende mit deinem Wissen diese Simulation an und erkläre die Membranvorgänge nach einer Reizung, die Ionenbewegungen und daraus resultierende Ladungsverteilung:

Eine Schülergruppe möchte die Weiterleitungsgeschwindigkeit von Nervenzellen in m/s abschätzen. Dazu haben sie folgende Idee: Sie nehmen mit einer hohen Geschwindigkeit von 240 fps (frames per second = Bilder pro Sekunde) einen Schülerreflex auf. Die Gruppe entscheidet sich für den Lidschlussreflex, weil sie hier eine gute Idee für einen Versuchsaufbau hat: Ein Schüler hält eine durchsichtige Scheibe vor sein Auge. Ein Mitschüler wirft ein Papierkügelchen an die Glasscheibe. Der Filmausschnitt wird stark verlangsamt, so dass man die Bildabfolge gut erkennen kann:

Bei der Abschätzung geht die Gruppe wie folgt vor:

• Sie ermitteln die Reaktionszeit, indem sie die Bildanzahl vom Aufprall bis zur ersten Reaktion zählen (= 9 Bilder, b). Die Reaktionszeit beträgt also:
  9 b : 240 b/s = 0,0375 s bzw. 37,5 ms
• Sie ermitteln den Reaktionsweg und schätzen ihn auf 50 cm (25 cm vom Auge zum Gehirn, 25 cm vom Gehirn zum Auge)
• Mit der Formel s = v * t bzw. v = s : t (s = Strecke, v = Geschwindigkeit in m/s, t = Zeit in s) ermitteln sie die Geschwindigkeit:
  v = 0,5m : 0,0375 s = 13,3 m/s
• Sie formuieren ihre Abschätzung: Die Weiterleitungsgeschwindigkeit beträgt etwa 13 Meter pro Sekunde

Anschließend schauen Sie in der Literatur nach den echten Werten. Sie sind erstaunt, die Geschwindigkeit der Weiterleitungsgeschwindigkeit bei Säugetieren wird mit bis zu 100 m/s angegeben. 

Bei der Recherche zu den Gründen dieser beeindruckenden Geschwindigkeit der Axone von Säugetieren stoßen sie auf die Begriffe "kontinuierliche" und "saltatorische" Erregungsleitung.

Aufgabe:

• Informiere Dich z.B. mit dem Schulbuch über diese beiden Begriffe
• Erkläre die folgenden beiden Animationen anhand dieser Informationen

Um die saltatorische Erregungsleitung besser zu verstehen, hat die Schülergruppe ein Modellexperiment aufgebaut und gefilmt. 

• Erkläre dieses Funktionsmodell. Beschreibe dazu zunächst, welche Modellstruktur bzw. welcher Ablauf welchem Teilprozess der jeweiligen Erregungsart entspricht (z.B. "Das Anstoßen des ersten Steins entspricht dem ankommenden Aktionspotenzial").