Grundkurs Tierphysiologie - Institut für Biologie und Neurobiologie ...

6. Versuchstag:
Simulation neuronaler Netzwerke
An diesen Kurstag werden wir verschiedene Prinzipien synaptischer Übertragung an einem
simulierten neuronalen Netzwerk veranschaulichen. Hierzu werden Sie mit Hilfe eines
Computerprogramms die Rhythmogenese in einem künstlichen Nervennetzwerk analysieren.
Wozu dienen Computersimulationen in der Neurobiologie? Zunächst müssen die
wesentlichen Neuronen eines Netzwerkes identifiziert sein, ihre physiologischen
Eigenschaften (Ionenströme, Aktionspotentiale, Transmitter) und die synaptischen
Verschaltungen untereinander experimentell aufgeklärt sein. Dann kann es sinnvoll sein,
Hypothesen über ihr Zusammenwirken in einem Netzwerk in einer Computersimulation
mathematisch durchzuspielen. Das hat einige Vorteile: 1.) Hypothesen, die sich aus den
experimentellen Arbeiten ableiten lassen, können mathematisch überprüft werden; 2.) die
Vollständigkeit der Datenerhebung kann getestet werden; 3.) Vorhersagen über das
biologische System, die sich aus Modellrechnungen ableiten lassen, können im Experiment
überprüft werden; 4.) die Zahl der Tierexperimente kann u. U. verringert werden.
Neuronale Schaltkreise
Auch wenn sich die Gehirne und Nervensysteme von Organismen in vielen Aspekten unterscheiden,
erfüllen alle ihre Funktion dadurch, dass die Neurone in einem Netzwerk kommunizieren.
Nervensysteme bestehen aus vielen Tausenden oder Millionen von Nervenzellen, die
über Synapsen miteinander vernetzt sind. Im Durchschnitt kontaktiert ein zentralnervöses
Neuron andere Neurone mit tausenden synaptischen Verbindungen und empfängt
Erregungen aus etwa gleich vielen Verbindungen mit anderen Neuronen. Daher besitzt das
menschliche Gehirn, das rund 10 11 Neurone enthält, ungefähr 10 14 Verbindungen.
Die chemische Synapse, der Ort der Signalübertragung zwischen zwei kommunizierenden
Zellen, besteht aus drei Elementen: der präsynaptischen Endigung, der postsynaptischen
Zellmembran und dem synaptischen Spalt. Chemische Synapsen können in Abhängigkeit
von ihrem Transmitterrezeptor exzitatorisch (erregend) oder inhibitorisch (hemmend)
wirken.
Viele Erkenntisse über erregende Synapsen wurden an der neuromuskulären Endplatte
der Wirbeltiere gewonnen. Von den Motoneuronen wird der Transmitter Acetylcholin (ACh)
ausgeschüttet. Postsynaptisch wirkt ACh an der Muskelmembran an einem spezialisierten
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