Grundkurs Tierphysiologie - Institut für Biologie und Neurobiologie ...

2. Versuchstag:
Computersimulation von Nervensignalen
Die genaue Messung von Spannungs- oder Stromsignalen an Nervenzellen erfordert
meistens eine aufwendige Präparation und Apparatur. Die mathematische Beschreibung
experimentell gewonnener Daten ermöglicht jedoch oftmals, ein Modell zu entwickeln, das
die Eigenschaften des natürlichen Systems simuliert und Voraussagen über das elektrische
Verhalten eines Neurons oder eines ganzen Netzwerks von Neuronen zulässt.
An diesem Kurstag werden Sie mit einem Computerprogramm (Neurosim, Biosoft) arbeiten,
das die Simulation der elektrischen Eigenschaften einer Nervenzelle erlaubt. Die zugrunde
liegenden mathematischen Funktionen wurden bereits 1952 aus den bahnbrechenden
Arbeiten von Hodgkin & Huxley abgeleitet. Ihre
intrazellulären Ableitungen von Aktionspotentialen
am Tintenfisch-Riesenaxon zeigten
den weit ins Positive überschiessenden
Spannungsverlauf (s. Abb.2.1). Durch
Veränderungen der Ionenkonzentrationen (z.B.
durch Ionensubstitution) zeigten sie, dass die
zugrunde liegenden Ströme und Leitfähigkeitsänderungen
der Membran ionenspezifisch sind.
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Messungen mit der Voltage-Clamp Methode (Abb.2.2) erlaubten die kontrollierte Anwendung
von Testspannungen zur genauen quantitativen Charakterisierung der Ionenströme sowie
ihrer Zeitverläufe (Kinetik).
Diese Methode zeigt z.B., dass eine plötzliche starke Depolarisierung der Membran einen
schnellen Na + -Einwärtsstrom und einen langsamer aktivierenden K + -Auswärtsstrom auslöst.
Die Ionen fliessen dabei rein passiv und unabhängig voneinander durch die Membran,
angetrieben allein von einer ionenspezifischen Spannungsdifferenz, der elektromotorischen
Kraft (EMK ion = V m - E ion ). Die EMK für eine Ionenart ergibt sich jeweils aus der Abweichung
der tatsächlichen Membranspannung (V m ) vom entsprechenden (Nernst-) Gleichgewichtspotential
(E ion ), das daher je nach Ionenverteilung allein die Richtung des Ionenstromes
vorgibt.
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