Biologie Studienorientierung - Neurowissenschaften

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1. Einblick in neurobiologische Zusammenhänge –

von der Abiturprüfung zum neuro(bio)logischen Wissen 5

1.1. Das Phytotoxin Coniin 5

1.1.1. Prüfung auf Abiturniveau 5

1.1.2. Hintergrundinformationen zur Coniin-Vergiftung 7

1.2. Das Schwermetall Blei 8

1.2.2. Hintergrundinformationen zur Bleivergiftung 11

1.3. Das Insektizid Chlorpyrifos 12

1.3.2. Hintergrundinformationen zur Vergiftung mit Chlorpyrifos 14 2. Einblick in aktuelle Forschungsthemen der Neurowissenschaften 15

2.1. Neurophysiologie 15

2.2. Neurologie 15

2.3. Neuropsychatrie 15

2.4. Neuroinformatik 15

2.5. Neurobiologie 16

2.6. Neurophysik 16

2.7. Weitere Teilbereiche der Neurowissenschaften 16

3. Praktische Übungen zu Neurowissenschaften 17

3.1. Angewandte Sensorik 17

3.2. Stroop-Effekt 19

3.3. Mustererkennung – Beeinflussung der Wahrnehmung 20

4. Prüfungsfragen auf Studienniveau 22

4.1. Klassische Prüfungsfragen (Biologiestudium) 22

4.2. Multiple-Choice-Test (Medizinstudium) 23

5. Mythen der schulischen Neurobiologie 26

5.1. Mythos 1 – Es gibt nur eine Art von Nervenzellen 26 5.2. Mythos 2 – Es gibt nur eine Art von Protonenpumpen 26 5.3. Mythos 3 – Aktionspotentiale sind stets idealtypische Kurven 27 6. Lösungen zu den Aufgaben auf Abiturniveau und dem Multiple-Choice-Test 28

6.1. Tod durch Coniin – Lösungen 28

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Studienorientierung Biologie Band 2: Neurowissenschaften – Bestell-Nr. P16 025

Vorwort

Liebe Lehrerinnen und Lehrer,

die vielfach beschriebene „Lücke“ zwischen Vorkenntnissen aus der Schule und Anforderun- gen im Studium ist ein Problem, dessen Ursachen komplex sind und dessen Lösung erst seit kurzem verstärkt angegangen wird.

Dabei werden unterschiedliche Ideen diskutiert. Zum einen gibt es bereits vielerorts Vor- oder Brückenkurse für viele Studiengänge – insbesondere denen des MINT-Bereiches. Zum anderen werden für besonders begabte oder interessierte Schüler*innen sogenannte Schüler-Uni- Veranstaltungen angeboten. Ein weiterer Weg diese besonders interessierten Schüler*innen auf ein Studium vorzubereiten, ist die gezielte, fachspezifische Förderung in der gymnasialen Oberstufe. Das vorliegende Material beschreitet diesen Weg, indem es eine Brücke schlägt zwischen dem Unterrichtsfach Biologie der gymnasialen Oberstufe und dem interdisziplinär orientierten Studienbereich Neurowissenschaften – dabei finden biologische, medizinische, physikalische & weitere Aspekte ihre Berücksichtigung.

Das Material greift dazu im ersten Teil äußere Einwirkungen verschiedener Stoffe auf das Nervensystem auf und vermittelt entsprechendes Wissen in Form abiturähnlicher Probeprüfungen mit nachgeschalteten Hintergrundinformationen, deren Niveau anschlussfähig an das der ersten Studiensemester eines Studiums der Biologie oder Medizin ist. Dies ist insofern passend, da die allermeisten Studiengänge der Neurowissenschaften Master-Studiengänge sind, die einen Biologie- beziehungsweise Naturwissenschafts-Bachelorgrad oder ein erstes Staatsexamen der Humanmedizin als Bewerbungsvoraussetzung haben.

Im zweiten Teil dieses Heftes erfolgen Einblicke in aktuelle Themen des interdisziplinären Forschungsbereichs Neurowissenschaften. Im dritten Teil werden exemplarisch praktische Übungen aus dem weiten Feld der Neurowissenschaften vorgestellt. Abgerundet wird das vorliegende Material im vierten Teil durch exemplarische Prüfungsfragen auf Studienniveau und im fünften durch das Aufzeigen und Enttarnen einiger schulischer Mythen im Bereich der Neurobiologie.

Kurzfassung

Die vielfach beschriebene „Lücke“ zwischen Vorkenntnissen aus der Schule und Anforderungen im Studium ist ein Problem, dessen Ursachen komplex sind, dessen Folgen aber immer deut- licher zu Tage treten. Das vorliegende Material greift dieses Problem auf und führt Lernende des Unterrichtsfaches Biologie der Sekundarstufe 2 ein in das interdisziplinäre Forschungsfeld der Neurowissenschaften. Es ist geeignet zum Selbststudium oder als Ergänzung des Unterrichtes.

Viel Erfolg beim Einsatz der vorliegenden Materialien wünschen Ihnen das Team des Kohl- Verlags und

Henning Mertens

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Im ersten Teil dieses Heftes werden Sie anhand dreier neurotoxisch wirkender Stoffe vom Abiturprüfungsniveau zum Niveau medizinischer Grundlagenliteratur geführt. Alle drei Stoffe wirken verschieden und auf unterschiedliche Bereiche des Nervensystems. Somit lässt sich anhand dieser Beispiele aufzeigen, wie vielfältig Nervensysteme – dem originären Kern der Neurowissenschaften – durch äußere Faktoren beeinflusst werden können.

Bitte versuchen Sie zunächst die Aufgabenstellungen ohne Hilfsmittel zu bearbeiten. Da aber nicht in jedem Bundesland in der Oberstufe bzw. Sekundarstufe 2 die gleichen Themengebiete beziehungsweise diese nicht mit gleicher Intensität bearbeitet werden, dürfen Sie bei Bedarf entsprechende Literatur (ihr „Bio-Buch“) zu Rate ziehen. Im hinteren Teil dieses Heftes finden Sie zudem Musterlösungen zu den Aufgaben. Bedenken Sie aber – Sie lernen viel mehr, wenn Sie zunächst eine vollständige, selbst formulierte Lösung anfertigen, bevor Sie die Muster- lösung anschauen.

Ursachen, Symptomatik und Diagnose sowie Therapieansätze bilden für Mediziner wichtige Strukturen und Informationen zur Identifikation einer toxischen Substanz respektive zur Behand- lung einer Intoxikation. Diese Aspekte werden Ihnen – jeweils bezogen auf den entsprechenden Giftstoff – im Anschluss an die zu lösenden Aufgaben nähergebracht. Beachten Sie dabei, dass die hier zusammengestellten Informationen einem ersten Einblick in die jeweiligen Vergiftungen dienen. Im Literaturverzeichnis finden Sie weiterführende Literaturhinweise, damit Sie bei Inter- esse die vorgestellten und auch andere Vergiftungen umfassender erforschen können.

1.1. Das Phytotoxin Coniin

Im Jahr 399 v. Chr. wurde in Athen der Philosoph Sokrates hingerichtet. Er erhielt einen Trank, der aus dem Gefleckten Schierling (Conium maculatum) hergestellt worden war. Der Gefleckte Schierling enthält ein Gift, das heute als Coniin bekannt ist. Es ist – wie viele andere Gifte auch – ein Synapsengift. Die Wirkungsweise des Coniin wurde in vielfältigen Tierversuchen erforscht.

1.1.1. Prüfung auf Abiturniveau

Aufgabe 1: Erläutern Sie die Erregungsübertragung an der neuromuskulären Synapse (motorische Endplatte).

Aufgabe 2: Erläutern Sie mit Hilfe des Materials 1 die Folgen einer Vergiftung mit Coniin auf den Organismus.

Aufgabe 3: Stellen Sie eine Hypothese darüber auf, wie Coniin an der Synapse wirkt.

Aufgabe 4: In der Viehzucht verursachen pflanzliche Gifte zum Teil erhebliche wirtschaft- liche Schäden – etwa durch Missbildungen oder Tod ungeborener Nachkom- men. Vergleichen Sie mit Hilfe des Materials 2 die diesbezügliche Giftigkeit des Nikotins, des Anabasins (beide in Tabakpflanzen) und des Coniins.

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1. Einblick in neurobiologische Zusammenhänge – von der Abiturprüfung zum neuro(bio)logischen Wissen

Material 1 Ergebnisse von Untersuchungen an Skelettmuskeln von Ratten

Material 2 Ergebnisse von Untersuchungen der Bewegungen von Ziegenföten im Mutterleib nach Gabe von Nikotin, Coniin oder Anabasin**

* Mikro-Mol: Ein Mol enthält etwa 6,022 • 10²³ Teilchen.

** Ein Fötus, der innerhalb von 5 Minuten keine Bewegung zeigt, gilt als verstorben

Hemmung der Muskelkontraktion in %

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

0 1 10 100

Coniin μM*

Bewegungen des Fötus pro 5 Minuten

35

30

25

20

15

10

5

0 0 30 60 0 30 60 0 30 60

Nikotin Coniin Anabasin

Zeit nach der Gabe des Wirkstoffs in Minuten

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Ursachen der Vergiftung

Da es sich bei Coniin um das Gift einer weit verbreiteten Pflanze handelt, kommen als Ursachen der Vergiftung Verwechslungen mit anderen Pflanzen durch unbedarfte Wildsalat- freunde in Betracht. In entsprechenden Veröffentlichungen wird stets auch auf die kriminelle Nutzung des Coniin bzw. des Gefleckten Schierlings hingewiesen.

Schierling wird auch in homöopathischen Präparaten verarbeitet. Hierbei kann es durch unsachgemäße Herstellung der Präparate zu Verunreinigungen kommen.

Man geht davon aus, dass eine Menge von etwa 6-8 Blättern noch überlebt werden kann, wenn der Vergiftete in ärztlicher Behandlung ist.

Symptomatik und Diagnose

Als klinische Symptome einer Vergiftung mit Coniin werden Herzrhythmusstörungen, Nieren- versagen, die Auflösung der quergestreiften Muskulatur (Rhabdomyolyse) und aufsteigende Lähmung beobachtet. Durch die neuromuskuläre Blockade kann es zum Tod durch Atem- lähmung kommen.

Coniin wird über die Lunge und die Nieren ausgeschieden und erzeugt einen charakteristischen moderigen („mausigen“) Geruch in der Atemluft. Dieser wird als diagnostisches Mittel genutzt.

Zudem kann auch eine Blutgasanalyse durchgeführt werden, um dem Coniin auf die Spur zu kommen. Durch die Rhabdomyolyse kann sich Myoglobin in den Nierentubuli ablagern.

Therapie

Die Therapie beruht vornehmlich auf unterstützenden Maßnahmen. Hier sind künstliche Beatmung durch Intubieren und eine Darm- bzw. Magenspülung zur Entfernung von giftigen Pflanzenteilen aus dem Verdauungstrakt zu nennen. Entscheidend ist die Zeit in der der Vergiftete in ärztliche Behandlung verbracht wird, weil die Symptome sehr zügig einsetzen.

1.1.2. Hintergrundinformationen zur Coniin-Vergiftung

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1. Einblick in neurobiologische Zusammenhänge – von der Abiturprüfung zum neuro(bio)logischen Wissen

Verschiedene Gifte und Erkrankungen können das Nervensystem des Menschen auf vielfältige Weise schädigen. Das Schwermetall Blei etwa wirkt nach Aufnahme in größerer Menge stark toxisch und verursacht unter anderem verzögerte Muskelreaktionen und Lähmungen, die zum Tod führen können. Obwohl die giftige Wirkung von Blei schon seit vielen Jahrhunderten bekannt ist, konnten gerade in den letzten Jahrzehnten die genauen Wirkungen auf das mensch- liche Nervensystem weiter aufgeklärt werden.

1.2. Das Schwermetall Blei

Aufgabe 1: Beschreiben Sie die Weiterleitung eines Aktionspotentials (Erregungsleitung) an einem Axon mit Myelinscheiden ausgehend vom Zeitpunkt der Überschreitung des Schwellenwerts am Axonhügel.

Aufgabe 2: In Untersuchungen an den Gehirnen von Ratten wurde die Wirkung von Blei auf das Nervensystem erforscht. Dabei wurden insbesondere die Anzahl an Umwickelungen durch Myelinlamellen pro Axon, der Durchmesser der myelini- sierten Axone sowie die Proteinzusammensetzung der Myelinscheidenzellen (Oligodendrozyten) untersucht.

Erläutern Sie mithilfe der Materialien 1, 2 und 3 die Wirkungen einer Bleiver- giftung auf die Erregungsweiterleitung am Axon.

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Aufgabe 3: Die Krankheit Multiple Sklerose verursacht ähnliche Symptome wie eine Blei- vergiftung; das Nervensystem von Betroffenen zeigt ähnliche Veränderungen.

Diskutieren Sie die Tauglichkeit der Abbildung (Material 4) und des erklärenden Statements darunter unter Einbezug der Erregungsleitungsgeschwindigkeit.

Aufgabe 4: Stellen Sie eine Hypothese darüber auf, welche Eigenschaften ein Medikament haben müsste, das bei Multipler Sklerose zur Linderung bzw. Heilung einge- setzt werden könnte.

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3. Praktische Übungen zu Neurowissenschaften

Blindversuch

Insbesondere im medizinischen Bereich haben sich Blind- oder sogar Doppelblindversuche durchgesetzt. Beispielsweise bei der Einführung neuer Medikamente werden derartige Studien durchgeführt. Hier geht es beispielsweise darum zu testen, ob ein Medikament besser wirkt als ein Placebo. Dabei wissen weder die Versuchsteilnehmer (blind) noch die Versuchsleiter (dop- pelblind), welcher Teilnehmer das Medikament und welcher das Placebo erhalten hat.

Damit Sie bei der Ermittlung Ihrer persönlichen Geschmacksschwelle ausschließen, dass Sie sich selbst beeinflussen, weil Sie wissen in welchem Gläschen welche Lösung ist, können Sie jemanden bitten, in Ihrer Abwesenheit die Gläschen in geeigneter Weise zu markieren und so- dann in eine beliebige Reihenfolge zu bringen.

Typische Schwellenwerte

Sicher fragen Sie sich, wie hoch typische Entdeckungs- oder Erkennungsschwellen liegen. Das ist individuell sehr verschieden und mit zunehmendem Alter erhöhen sich die Schwellenwerte.

Zudem ist es gegebenenfalls abhängig davon, was man kürzlich verzehrt hat – und auch viele weitere äußere Faktoren spielen eine Rolle; sogar das aktuelle Wetter oder der Luftdruck (Viel- leicht haben Sie auch davon gehört, dass Tomatensaft in Flugzeugen besser schmecken soll.) Es lassen sich jedoch Angaben finden, die einen Hinweis darauf geben. Hier geht es um den Bereich der Verkostung. Professionelle Verkoster sollten recht geringe Erkennungsschwellen für die Geschmackstypen haben, um bspw. feinste Geschmacksnuancen passend zu identifizie- ren. Folgende Werte für die Erkennungsschwelle sollten Verkoster nicht überschreiten:

• salzig: 0,9 g/l Natriumchlorid

• sauer: 0,3 g/l Citronensäure

• süß: 4 g/l Saccharose

3.2. Stroop-Effekt

Im Jahr 1935 veröffentlichte J.R. Stroop eine Versuchsanordnung für ein „kognitiv-neurowissen- schaftliches Experiment“, das bis heute vielfach wiederholt und variiert wird. Es testet die sogenannte Interferenz, das bedeutet den störenden Einfluss eines Prozesses auf einen anderen.

Stroop demonstrierte dies anhand von Farbwörtern und der Farbe in der sie gedruckt sind. In einfacher Form finden sie es hier.

Testen Sie sich zunächst selbst. Sie benötigen nur eine Stoppuhr.

Schritt 1: Lesen Sie den folgenden Text und stoppen Sie dabei die benötigte Zeit – ignorieren Sie die Farbe in der die Wörter geschrieben sind.

Benötigte Zeit:

Anzahl Fehler/ Versprecher:

ORANGE BLAU GELB ROT LILA PINK BLAU SCHWARZ LILA GRÜN ORANGE SCHWARZ GELB PINK ROT BLAU PINK BLAU SCHWARZ ORANGE

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3.2. Stroop-Effekt

Schritt 2: Benennen Sie nun die Farbe der folgenden Wörter – ignorieren Sie dabei den tatsächlich geschriebenen Text.

Benötigte Zeit:

Anzahl Fehler/Versprecher:

In der Annahme, dass es Ihnen wie den meisten Personen gegangen ist, die diesen Test bereits gemacht haben, Sie also im zweiten Schritt entweder länger gebraucht und/oder mehr Fehler bzw. Versprecher gemacht haben: Das ist völlig normal. Denn es offenbart gerade das, was Stroop zeigen wollte – die Inhibition automatisierter Prozesse wie dem Lesen benötigte Zeit und ist fehleranfällig. Denn das Benennen der Farbe in der ein Wort geschrieben ist, hat kaum ein Mensch automatisiert, es kommt im Alltag praktisch nicht vor. Bunte Wörter zu lesen ist jedoch hingegen ein alltägliches Phänomen. Und so kommen sich die beiden Anforderungen in die Quere. Menschen, die eine so genannte Inhibitionsschwäche haben, also gerade nicht oder nur schlecht die Farbe benennen können statt das Wort zu lesen, empfinden dies im Alltag durch- aus als hinderlich.

Warum ist aber dieses Experiment, das unter anderem in der neuropsychologischen Diagnostik eingesetzt wird, wichtig auch für andere Neurowissenschaften?

Es zeigt grundlegend, dass irrelevante Informationen einen großen Einfluss auf die Leistungs- fähigkeit haben können und das ist bedeutsam für Lernen im Allgemeinen. Denn wie in vielen Versuchen gezeigt wurde, kann der Stroop-Effekt durch Training reduziert werden. Und dieses Training verändert unser Denken, welches wiederum in den Nervenzellen ihren Ursprung hat – dem zentralen Forschungsbereich der Neurowissenschaften.

3.3. Mustererkennung – Beeinflussung der Wahrnehmung

Eine Redewendung lautet: „Man sieht den Wald vor lauter Bäumen nicht.“ In diesem Ausspruch steckt bereits im Wort „sieht“ der Bezug zu den Neurowissenschaften, denn zweifelsohne ist „Se- hen“ eine Sinnestätigkeit, die mit Wahrnehmung im Gehirn zusammenhängt. Wissenschaftler der Eötvös Loránd Universität (in Budapest/Ungarn) sind im Zusammenhang mit Wahrnehmung der Frage nachgegangen, ob die Nutzung mobiler Endgeräte mit Touchscreen (also Smartphone, Ta- blet) die Wahrnehmung beeinflusst. Konkret wurde untersucht, ob die Nutzung dieser Geräte be- wirkt, dass nicht mehr – wie von Natur aus – globale Muster vor lokalen Mustern erkannt werden.

Um auf die Redewendung zurückzukommen: Erkennen wir erst den Wald (das globale Muster)

GELB ROT PINK BLAU GRÜN

LILA GELB BLAU SCHWARZ PINK BLAU ROT GRÜN ORANGE PINK SCHWARZ ROT GELB LILA BLAU

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3. Praktische Übungen zu Neurowissenschaften

3.3. Mustererkennung – Beeinflussung der Wahrnehmung

Vielleicht haben Sie die Abbildung schon betrachtet: Was haben Sie zuerst gesehen – die symbol- hafte Sonne oder die einzelnen Sterne? Solche und ähnliche Abbildungen wurden den Versuchs- personen in der Studie der Budapester Wissenschaftlicher vorgelegt – sie sollten dann auswählen, was sie zuerst erkennen. Das Ergebnis: Tatsächlich verschiebt die Nutzung mobiler Endgeräte mit Touchscreen die Wahrnehmung von globalen zu lokalen Mustern – der Baum wird also vor dem Wald erkannt.

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4.2. Multiple-Choice-Test (Medizinstudium)

Die folgende Prüfung ist angelehnt an das Verfahren des schriftlichen Teils beim ersten Abschnitt der ärztlichen Prüfung (landläufig „Physikum“ genannt). Diese Prüfung im Rahmen eines Medizinstudiums umfasst zwei Prüfungstage mit je vier Zeitstunden Prüfungszeitraum. Es müssen pro Tag 160 Single-Choice-Fragen (das bedeutet pro Frage ist nur genau eine Antwort korrekt) zu verschiedenen Themen (Physiologie, Physik, Biochemie, Chemie, Anatomie, Biologie, Psychologie, Soziologie) bearbeitet werden.

Hier werden wir uns auf 10 Fragen beschränken. Einzelne Fragen sollten Sie beantworten können, denn sie beziehen sich auf elementares Schulbiologie-Wissen oder auf Inhalte dieses Heftes. Daneben werden Fragen gestellt, die sich auf die Inhalte der ersten Semester eines Medizinstudiums beziehen. Beiden Fragearten ist gemein, dass sie den Bereich Neurowissen- schaften berühren. Das Niveau der Fragen entspricht zum großen Teil denen des Physikums – aber denken Sie daran: es sind 10 thematisch eingeschränkte Fragen und nicht 320 Fragen, die alle notwendigen Themenbereiche abprüfen. Die Hälfte korrekt zu beantworten – was ja in der Schule noch „ausreichend“ wäre – können Sie schon als Erfolg ansehen. Auch hier sollen Sie zuvörderst einen Eindruck der Studieninhalte erhalten. Sie haben pro Frage 1,5 Minuten, folglich insgesamt 15min Zeit.

Antwortbogen zum Ankreuzen für den Multiple-Choice-Test

Kennzeichnen Sie Ihre Antwort jeweils A B C D E

eindeutig mit einem Kreuz!     

Falschmarkierungen bitte sauber und vollständig ausradieren.

Name, Vorname:

Geburtsname: Geburtsdatum:

Geburtsort: Geschlecht:

Prüfungsort: Raum:

A B C D E

1

    

2

    

A B C D E

6

    

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