Zusammenfassung HST II 2021

Zusammenfassung HST II 2021

Inhaltsverzeichnis

Disclaimer ... 3

Medizintechnik ... 4

Definition & Grundideen der Medizintechnik ... 4

5 Bereiche der Medizintechnik ... 4

Bildgebung... 4

Biosensoren ... 5

Biomechanik ... 5

Biomaterialien ... 5

Tissue Engineering ... 5

Rehabilitationstechnik: Definition ... 6

Interaktion Mensch – Umgebung / Modalitäten ... 6

Sensoren & Displays ... 7

Prinzipien der Rehabilitationstechnik ... 8

Orthesen... 8

Prothesen ... 8

Substitution ... 8

Mobile Diagnostik / Internet of Medical Things / Telemedizin ... 8

Bewegungswissenschaften & Sport ... 9

Funktionelle Anatomie ... 9

Aktiver Bewegungsapparat ... 9

Passiver Bewegungsapparat ... 10

Leistungsphysiologie ... 12

Energiebereitstellung ... 12

Konditionstraining ... 13

Biomechanik ... 15

Biokinematik / Biodynamik ... 16

Belastung ... 16

Beanspruchung ... 17

Bewegungskontrolle ... 17

Motorische Einheit ... 17

Muskelfasertypen ... 17

Bewegungslernen / Bewegungskontrolle ... 18

Sportpsychologie ... 18

Sportsoziologie ... 18

Neurowissenschaften ... 19

Prinzipien & Bereiche ... 19

Neurobiologie ... 19

Grosshirn (Cerebrum) ... 20

Kleinhirn (Cerebellum) ... 20

Zwischenhirn, Hirnstamm & Rückenmark ... 21

Synapsen ... 22

Reparatur des Nervensystems ... 22

Neurophysiologie ... 23

Elektrophysiologie ... 23

Kognitive Neurowissenschaft ... 25

Gedächtnis ... 25

Logik ... 26

Selektive Wahrnehmung ... 26

Klinisch-Medizinische Fächer ... 26

Sinnesphysiologie ... 28

Visuelles System ... 28

Auditives System ... 31

Vestibuläres System ... 34

Chemische Sinne ... 34

Somatosensorik ... 36

Molekulare Gesundheitswissenschaften ... 39

Definition ... 39

Precision Medicine... 39

Definition ... 39

Biomarker ... 40

Definition ... 40

Entwicklung von Biomarkern ... 40

Methoden ... 41

Genomik ... 41

Transkriptomik ... 41

Proteomik ... 41

Beispiel: COVID-19 ... 41

Stoffwechselkrankheiten (Adipositas & Diabetes) ... 42

Übersicht ... 42

Krankheitsmechanismen Diabetes ... 43

Folgekrankheiten & Vorhersage ... 45

Herz-Kreislauf-Krankheiten ... 45

Übersicht ... 45

Krankheitsmechanismen ... 46

Krebs ... 46

Übersicht ... 46

Krankheitsmechanismen ... 47

Neurologische Krankheiten ... 48

Übersicht ... 48

Krankheitsmechanismen ... 49

Gesundheit, Ernährung, Umwelt ... 50

Einflussfaktoren auf die Gesundheit ... 50

Genetik ... 50

Lebensstil... 50

Umwelt ... 52

Soziale Aspekte ... 54

Translationale Forschung ... 56

Definition ... 56

Problemfelder ... 57

Einleitung ... 57

Kommunikation ... 57

Finanzierung ... 58

Disclaimer

Diese Zusammenfassung bezieht sich auf die HST II Vorlesung doziert von Roland Müller vom Frühling 2021. Die Informationen hier sind in direkter Korrelation mit den zur Verfügung gestellten Slides. Falls du diese Zusammenfassung verwenden möchtest, empfehle ich die Lernziele deines Jahres mit dem Inhaltsverzeichnis abzugleichen. Verwende diese Zusammenfassung auf eigenes Risiko. Es ist möglich, dass einige Informationen, welche R. Müller mündlich in der Vorlesung erwähnt hat, nicht hier aufgeführt sind.

Medizintechnik

Definition & Grundideen der Medizintechnik

• Verständnis der Funktionsweise von lebenden Systemen mittels analytischer und experimenteller Techniken der Ingenieurswissenschaften (-> Diagnostik)

• Entwicklung von neuen Geräten, Algorithmen, Prozessen und Systemen im Bereich Medizin und Gesundheit (-> Therapie)

5 Bereiche der Medizintechnik Bildgebung

• Techniken und Prozesse, welche das Körperinnere (nichtinvasiv) visuell darstellen können.

-> klinische Analyse (Diagnose)

-> medizinische Intervention (Therapie)

• Etablierung von Datenbanken der normalen Anatomie und Physiologie zur Erkennung von Anomalien.

Beispiele:

Röntgen / x-ray Computed Tomography / CT

Ultraschall Magnetic Resonance Imaging / MRI

Biosensoren

• Messfühler mit biologischen Komponenten

➢ Antikörper

➢ Enzyme

➢ …

• Messung der chemischen / physikalischen Veränderung

➢ Ladung

➢ Lichtabsorption

➢ …

Biomechanik

• Analyse von Belastungen und Materialeigenschaften des aktiven und passiven Bewegungsapparates

• Analyse von Strömungen im Körper (z.B. Herz-Kreislauf-System, Atmungssystem)

• Mechanismen des Wärme- und Stofftransports Beispiele:

• Belastung von Muskeln, Bänder & Sehnen berechnen (Finite Element Method / FEM)

➢ Benutz numerische Lösungen von Differentialgleichungen

• Berechnung von Knochenfestigkeit

➢ Simulation nach Bildgebung

• Parameter von Gefässen

➢ Reissfestigkeit, Schärkraft, Flussreibungskraft, etc.

Biomaterialien

Eigenschaften von Synthetischen Materialien für den Einsatz am/im Körper

• Funktionale Ähnlichkeit

• Biologische Verträglichkeit / Biokompatibilität

➢ Toxizität

➢ Kanzerogenität

➢ Chemische Stabilität

➢ Immunologische Reaktionen

• Mechanische Stabilität Beispiele:

• Hüftprothesen (Keramik, Titan)

• Kontaktlinsen

• Gefässstützen / Stents (flexibel, robust, n. korrosiv)

Tissue Engineering

• Künstliche Herstellung biologischer Gewebe durch die gerichtete Kultivierung von Zellen, um damit kranke Gewebe bei einem Patienten zu ersetzen oder zu regenerieren

• Zellentnahme am Patienten zur Züchtung des gewünschten Organs Unterstützt durch

➢ Scaffold / Strukturelles Gerüst

➢ Lebende Zellen / Gewebe

➢ Wachstumsfaktoren

➢ Kulturmedium / Nährlösung

• Prinzip:

1. Biopsie / Zellisolierung 2. Zellvermehrung

3. Besiedlung einer Trägerstruktur 4. Wachstum in Bioreaktor

5. Implantation

Rehabilitationstechnik: Definition

• Bereitstellung von Hilfsmitteln, die eine gesundheitliche Einschränkung abmildern und so die Lebensqualität erhöhen

• Nicht nur spezielle Hilfsmittel, sondern auch Unterstützungstechnologie (Anpassung/Zugänglichkeit herkömmlicher Produkte)

Interaktion Mensch – Umgebung / Modalitäten

Übertragungskanäle

Modalitäten der Wahrnehmung (Perzeption):

• Visuell / Optisch (Gesichtssinn)

• Auditiv / Akustisch (Gehörsinn)

• Taktil / Haptisch (Tastsinn)

• Olfaktorisch (Geruchssinn)

• Gustatorisch (Geschmacksinn)

• Vestibulär (Gleichgewichtssinn)

• Propriozeptiv (Körperempfindung)

• Nozizeptiv (Schmerzempfindung)

• Thermorezeptiv (Temperatursinn)

Sensoren & Displays

Sensoren Displays

Visuell / Optisch Helligkeitssensor Kamera

Leuchtdiode Zeiger Monitor

Heads-Up-Display Brillendisplay Auditiv / Akustisch Geräuschsensor

Mikrophon

Lautsprecher Kopfhörer Taktil / Haptisch Drucksensor

Accelerometer Gyrosensor

Motor

Vibrationsmotor

Olfaktorisch Gas-sensor Verdunster

Zerstäuber

Gustatorisch ??? ???

Prinzip Rehabilitationstechnik mittels Sensoren & Displays

Prinzipien der Rehabilitationstechnik Orthesen

Prinzip: Modalitäten verstärken / Unterstützen Sensorisch: Hörgeräte, Brille

Motorisch: Krücken, Beinorthese

Spezielle Orthesen: Therapie- Roboter (siehe HST I)

• Exoskelette

• Endeffektorbasierte Roboter

Prothesen

Prinzip: Modalitäten ersetzen

Sensorisch: Cochlear Implantat (Hörprothese) Motorisch: Beinprothese, Handprothese

Substitution

Prinzip: Modalitäten substituieren Sensorisch: Brailledisplay für Blinde Motorisch: Spracheingabe für Gelähmte

Mobile Diagnostik / Internet of Medical Things / Telemedizin

• Entwicklung biomedizinischer Sensoren für tragbare Systeme (z.B. Mobiltelefone, Wearables)

• Generierung von neuen medizinischen Erkenntnissen durch vernetzte Systeme (Internet of Medical Things)

• Telemedizin:

➢ Telemonitoring

➢ Telekonsil

➢ Telechirurgie

➢ Telerehabilitation

Bewegungswissenschaften & Sport

Funktionelle Anatomie

• Aufbau der Strukturen des Bewegungsapparates (Knochen, Knorpel, Bänder, Sehnen, Muskeln)

• Funktion der Strukturen des Bewegungsapparates bei Bewegungen

• Veränderung der Strukturen des Bewegungsapparates durch Entwicklung (Kindheit → Alter) bzw. Gebrauch (Belastung – Nichtbelastung)

Aktiver Bewegungsapparat

Spezifischer: Muskeln

Verschiedene Arten der Muskulatur

Formen von Skelettmuskulatur

Muskelaufbau

(Details siehe Vorlesung Biochemie!)

Kontraktionsmechanismus

Myosin & Aktin gleiten ineinander, Myosinköpfchen dockt an Aktin an und knickt ab, welches Aktin verschiebt. (ATP-Hydrolyse) → Abhängig von Signal, welches durch freigesetzte Ca-Ionen im sarkoplasmatischen Retikulum stimuliert wird.

Muskelkraft teilweise Altersabhängig

Passiver Bewegungsapparat Knochen

• Leichtbauweise

• Ausgerichtet an Belastung

• Ständiger Auf- und Abbau (Osteoklasten/Osteoblasten)

Aufbau von Knochen

Altersbedingte Knochenmasse

Knorpel

• Elastisch → Stossdämpfung

• Reibungsarme Gelenkverbindung zwischen Knochen

Sehnen

• Verbindung zwischen Knochen & Muskel

• Für Kraftübertragung zuständig

• Leicht dämpfende Eigenschaften, da im schlaffen Zustand gewellt

• Aus geraden Kollagenfasern

Bänder

• Verbindung zwischen Knochen

• Dienen der Gelenksicherung

• Wenig elastisch → Entweder schlaff oder gespannt, reissen bei Überbelastung

• Aus geraden Kollagenfasern mit einigen Querverbindungen

Gelenke

(siehe HST I)

Leistungsphysiologie

• Gesetzmässigkeiten der Beschaffung von Energie für körperliche Arbeit (Aufnahme von Sauerstoff und dessen Transport und Verarbeitung)

• Aufbau, Struktur und Arbeitsweise von Lunge, Herz-Kreislauf-System und Muskeln

• Veränderungen bei unterschiedlichen Bedingungen (Sauerstoffpartialdruck, Temperatur, etc.)

• • Veränderung des Organismus und der Anpassungsmechanismen durch Reifung und Altern

Energiebereitstellung

Chemische Vorgänge: Siehe Vorlesung Biochemie, Glycolyse & Citratzyklus

Bei hoher körperlicher Leistung wird ca. 5x so viel Blut durch den Körper gepumpt verglichen zum Ruhezustand. Hierbei wird die meiste Energie den Muskeln zugeführt, innere Organe, welche der Verdauung helfen, werden vernachlässigt. Auch das Gehirn bekommt weniger Blut.

Energiebereitstellung über Zeit

Konditionstraining

Verschiedene Bereiche trainierbar, korrelieren jedoch miteinander, da bei allen Muskeln &

Kreislauf beansprucht werden.

Krafttraining

Zielsetzungen:

• Kraft (Strength) → Maximalkraft

• Leistung (Power) → Schnellkraft

• Lokale Ausdauer (Endurance) → Kraftausdauer Methoden:

• Konzentrisch (Muskeln verkürzen)

• Exzentrisch (Muskeln verlängern)

• Isometrisch (gleichbleibend belasten)

• Plyometrisch (Vorspannung)

Anpassung der Muskulatur ist sehr individuell; manche reagieren schnell, andere eher langsam.

Jedoch gilt:

• Kurzfristige Anpassungen (<10 Tage) betreffen neuronales System

• Langfristige Anpassungen (>10 Tage) betreffen Struktur

Ausdauertraining

Zielsetzungen:

• Mit mehr Laktat umgehen können → anaerobes Training

• Bessere Energiebereitstellung durch Mitochondrien → aerobes Training

Methoden:

• Dauermethode:

➢ - intensiv: 85-95% max. Herzfrequenz

➢ extensiv (long, slow distance): 60-80% max. Herzfrequenz

• Intervallmethode

• Aktive Pausen, unvollständige Erholung (Ruhepuls nicht erreichen)

• Wiederholungsmethode

• Aktive/Passive Pausen, vollständige Erholung (Ruhepuls erreichen)

• Intermittierende Methode

• Wechseln zwischen kurzen, hochintensiven Belastungen und längeren, mittelintensiven Belastungen

Schnelligkeitstraining

Formen:

• Reaktionsschnelligkeit

• Beschleunigungsfähigkeit

• Aktionsschnelligkeit Methoden:

• Wiederholungsmethode

• Vollständige Erholung nach Leistung (ca. 50x Belastungszeit) Bsp: 15 Sekunden Sprint → 750 Sekunden (12.5 Minuten) Pause

Beweglichkeitstraining

Methoden:

• Dynamisches Dehnen

• Statisches Dehnen (klassisches Stretching)

• PNF (Propriozeptive Neuromuskuläre Fazilitation) Hinweise:

• Wenn dann tonisierendes dynamisches Dehnen vor Training → Mobilisieren

• Unklar, ob Stretching vor Verletzungen oder Muskelkater schützt. Muss individuell eingeschätzt werden

Im Alter sinkt die Beweglichkeit stark. Dies hängt aber auch damit zusammen, dass im Durchschnitt die sportliche Aktivität reduziert wird im Alter

Koordinationstraining / Gleichgewichtstraining

Arten des Gleichgewichts:

• Standgleichgewicht

• Balanciergleichgewicht (Bewegend)

• Drehgleichgewicht

• Fluggleichgewicht

Kontrolle der Postur gesteuert durch Wahrnehmung

→ Sinneseindrücke erleichtern Halten des Gleichgewichts

• Vestibulär

• Visuell

• Propriozeptiv

• Taktil

Biomechanik

Wechselwirkungen zwischen den biologischen Strukturen und den mechanischen Belastungen, die bei Bewegungen auf sie einwirken

Biokinematik / Biodynamik

• Kinematik: Beobachtung von Abläufen in Bezug auf Geschwindigkeit

• Dynamik: Beobachtung von Abläufen in Bezug auf wirkende Kräfte

Belastung

Kraft oder Moment, welches auf biologische Struktur wirkt

→ Belastungsgrenzen von verschiedenen Strukturen (Knochen, Knorpel, Bänder etc…)

Beispielsdiagramm zu spezifischer Struktur

Vereinfachtes Beispiel für Belastung an Fussgelenk

Beanspruchung

Spannung (Kraft pro Querschnittsfläche) an biologischer Struktur Beanspruchungsgrenzen verschiedener Strukturen / Organe:

Bewegungskontrolle

• Analyse der Bewegungskontrolle zur ökonomischen und/oder schnellen Durchführung einer Bewegung (Motor Control)

• Analyse und Optimierung von Lernprozessen im Bereich der Motorik (Motor Learning), u.a. auch bezüglich Altersabhängigkeit

• Entwicklung und Überprüfung von Lehrprozessen

Motorische Einheit

Motorische Einheit (ME)

≙

α-Motoneuron & innervierte Muskelfasern

Unterschiedliche Muskeltypen brauchen unterschiedliche Motorische Einheiten:

Muskel Anzahl Muskelfasern / Einheit Typ

Augenmuskel 3 II (schnell)

Wadenmuskel (soleus) 180 I (schnell)

Wadenmuskel (gastrocnemius) 1700 I + II

Verteilung der Fasertypen auch grob individuell abhängig von:

• Vererbung

• Training

• Geschlecht

• Weitere Umweltfaktoren

Regulation:

• Vermehrte Zuschaltung von ME’s im gleichen Muskel

• Erhöhung Feuerrate (Nervenreiz)

Anzahl ME’s nimmt am Alter ab → Altersbedingte Atrophie

Muskelfasertypen

Durch Art des Motoneurons festgelegt → eine ME hat nur eine Art von Fasern Generell gilt: kleine Motoneurone → kleine, langsame ME

Grosse Motoneurone → grosse, schnelle ME

Bewegungslernen / Bewegungskontrolle Motorische Programme:

• Routinierte Bewegungen müssen irgendwie «Abgespeichert» sein → Muscle Memory

• Impuls – Timing – Modell → Gewisser Ablauf verschiedener Muskeln gespeichert, dessen Ablaufgeschwindigkeit kann reguliert werden (Achtung! Modell)

Bewegungslernen:

• Zuerst einzelne Details stark beachten, sobald diese routiniert sind können sie zusammengeführt werden und es kann auf andere Eindrücke fokussiert werden

→ Beispiel Badminton: Zuerst Fokus nur auf Shuttle (Wie fliegt dieser in meine Richtung?), später dann auf Spielfeld (Wo steht Gegner?)

Blicksteuerung:

• Der blick steuert sehr viele Abläufe, vor allem unterbewusst: Laufrichtung, Rotation in Flips, etc…

Psychomotorisches Verhalten:

• Untersuchung der Rückmeldung (Form, Zeitpunkt) auf die folgende Bewegungsausführung und besonders auf den Lernverlauf

• Einfluss des individuellen psychisch-emotionalen Zustands der sich bewegenden Person auf die Bewegung

Sportpsychologie

Verschiedene Aspekte:

Sportsoziologie

• Einflüsse der sozialen Umgebung auf die Bewegung eines Menschen (z.B. alleine oder in Gruppe, bekannte oder unbekannte Personen, mit oder ohne Zuschauer)

• Einfluss von Kulturen und Traditionen auf das Bewegungsverhalten und die Bewegungsausführung

Als Beispiel: Bruto-Inland-Produkt in direkter Korrelation mit sportlicher Aktivität

Neurowissenschaften

Prinzipien & Bereiche

Prinzipien:

• Untersuchung von Entstehung, Struktur und Funktionsweise des Gehirns bzw. des Nervensystems

• Forschungsbereiche von Medizin, Psychologie und Biologie

• Ziele:

➢ Informationsverarbeitung im neuronalen Netz besser verstehen

➢ Therapien für Krankheiten entwickeln

➢ Gewonnenen Wissen in nutzbare Technologien umsetzen Bereiche:

• Neurobiologie

• Neurophysiologie

• Kognitive Neurowissenschaften

• Klinisch-Medizinische Fächer

Neurobiologie

Nervensystem:

• Somatisches Nervensystem: willkürlich

• Vegetatives Nervensystem: autonom

→Sympathikus = Aktivierend

→Parasympathikus Erholend Gehirn:

• Ca 100 Mia. Neuronen, welche via Synapsen verknüpft sind

→Graue Substanz: Nervenzellkörper

→Weisse Substanz: Nervenleitungsbahnen

Grosshirn (Cerebrum) Grosshirnlappen

• Frontal- / Stirnlappen

➢ Motorik, Sprachproduktion, exekutive Funktionen (Handlungssteuerung inkl.

Hemmung; Präfrontalcortex)

• Parential- / Scheitellappen

➢ Aufmerksamkeit, Sensorik

• Temporal- / Schläfenlappen

➢ Akustik, Sprachverständnis

• Occipital- / Hinterhauptlappen

➢ Verarbeitung visueller Reize

Lateralisation des Grosshirns

(stark vereinfacht!)

• Linke Hemisphäre

➢ Steuert rechte Körperhälfte

➢ Logik & Sprache

• Rechte Hemisphäre

➢ Steuert linke Körperhälfte

➢ Phantasie

• Verbindung durch Corpus Callosum (Balken)

Tieferliegende Strukturen des Grosshirns

• Basalganglien

➢ Bewegungssteuerung

• Amygdala

➢ Verarbeitung von Gefühlen

• Hippocampus

➢ Transfer Kurzzeit/Langzeitgedächtnis

Kleinhirn (Cerebellum)

• Koordination von Bewegungen (Ist-Soll)

• Bewegungslernen

• Kognitive Aufgaben

Zwischenhirn, Hirnstamm & Rückenmark Zwischenhirn

• Thalamus

➢ Filterung eingehender Signale

• Hypothalamus

➢ Steuerung Energiehaushalt

Mittelhirn

• Augenreflexe

• Schmerz

• Akustik

Brücke & Verlängertes Rückenmark

• Steuerung Gleichgewicht

• Steuerung Blutkreislauf

• Steuerung Atmung

• Höhere Reflexe

Rückenmark

• Weiterleitung Motorik/Sensorik

• Lokale Reflexe, Agonist – Antagonist -Verschaltung

• Automatismen

Synapsen

Elektrische Synapsen

Übertragung von Signal via Gap Junction direkt an nächste Nervenzelle

Chemische Synapsen

1. Neurotransmitterfreisetzung

2. Depolarisation (Na+) / Hyperpolarisation (Cl-) 3. Freisetzung Ca2- in synaptischen Spalt

4. Auslösen Reaktionspotenzial an affektierter Zelle

→Ansatzpunkt Medikamente

Entwicklung von Synapsen

In den ersten 8 Monaten des Lebens wachsen die meisten Synapsen heran. Diese nehmen im Verlauf des Lebens stetig ab.

Reparatur des Nervensystems Grosse Verletzungen

• Schlechte Erholung

• Grosshirn -> Hemiplegie durch Schlaganfall (Blutung, Infarkt)

• Hirnstamm -> meist tödlich

• Rückenmark -> Para oder Tetraplegie

Kleinere Verletzungen

• Gute Erholung möglich

• Plastizität -> Verstärkung von «Reserve-Schaltkreisen» &/ Bildung neuer Schaltkreise -> Bewirkt auch Verstärkung einzelner Synapsen durch vermehrten Einbau von Transmittern / Rezeptoren

Neurophysiologie Elektrophysiologie

Messung von Bahnen und Verschaltungen

Messung Rückenmarkbahnen:

Interkonnektivität verschiedener Bahnen

Motorisch evoziertes Potential (MEP)[1] und Somatosensorisch evoziertes Potenzial(SSEP)[2]. 1: von Hirn nach Peripherie, 2: Umgekehrt

MEP

• Messung der muskulären Antwort auf eine Reizung des Motorcortex

• Bestimmung der Amplitude und der Latenz

• Bestimmung der Somatotopie (siehe Homunkulus)

SSEM

• Messung der nervösen Antwort auf eine Reizung der Haut

• Bestimmung der Amplitude und der Latenz

• Bestimmung der Somatotopie (Siehe Homunkulus)

Elektrophysiologie vs. bildgebende Verfahren

• EEG: gute zeitliche Auflösung

• CT, PET, MRI: gute örtliche Auflösung

 Homunkulus

EEG

Kognitive Neurowissenschaft

• Untersuchung neuronaler Mechanismen, die kognitiven und psychischen Funktionen zugrunde liegen

• Interesse an höheren Leistungen des Gehirns sowie auch dessen Defizite

➔ z.B. Lernen, Sprache, Wahrnehmung, Gedächtnis, …

• Vereinigung psychologischer und neurowissenschaftlicher Herangehensweisen in gleichberechtigter Weise (Neurologie und Biologie)

Merkmale:

• Zerlegung von Funktionen in Teilfunktionen und Zuordnung zu neuroanatomischen Strukturen

→z.B. Speicherung in Kurzzeit- und Langzeitgedächtnis; Erfassung von Bewegung, Farbe oder Form

• Kombination physiologischer Messungen mit experimentalpsychologischen Methoden

• Netzwerkmodelle zur Erklärung der Hirnfunktion

Gedächtnis

Bewusste & Unbewusste Verarbeitungsprozesse

Kurzzeit & Langzeitgedächtnis

Entwicklung des Gedächtnisses

Das Erinnerungsvermögen verändert sich im Laufe des Lebens, dies vor allem kurzfristig im Kindesalter. Bei voranschreitendem Alter tendiert man dazu, mehr zu vergessen.

Logik

Logisches Denkvermögen kann getestet werden mittels verschiedener Aufgaben.

Selektive Wahrnehmung

Unterschiedliche Verarbeitungswege

• Bewegung, Lokalisation

→Parietallappen (Wo?)

• Farbe, Form

→ Temporallappen (Was?)

Danach wird dies in Frontallappen interpretiert & verglichen mit Bekanntem

Selektive Wahrnehmung

• Unterscheidung wichtiges / unwichtiges

• Aufmerksamkeitsblindheit

→ Wahrnehmung bestimmter Aspekte, Ausblendung anderer

Klinisch-Medizinische Fächer

Aspekte:

• Pathogenese

• Diagnose

• Therapie (Erkrankungen des Gehirns)

Neurologische Probleme

• Kopfschmerzen

• Migräne

• Schwindel

Neurologische Krankheiten

• Epilepsie

• Schlaganfall

• Demenz

• Multiple Sklerose

• Parkinson

• Schädel – Hirn – Trauma

• Querschnittlähmung

Schlaf

• Extrem wichtig zur Gedächtnisverarbeitung

• Schlafstörungen können über längere Zeit grössere Schäden verursachen

• Durchlaufen von 4 bis 5 Zyklen

Sinnesphysiologie

Untersuchung der Mechanismen, wie physische Reize (Licht oder Schallwellen, chemische Signale) in elektrische Signale umgewandelt werden in verschiedenen Systemen:

• Visuelles System

• Auditives System

• Vestibuläres System

• Chemische Sinne (Riechen & Schmecken)

• Propriozepives System (Somatosensorik)

Visuelles System Auge

Alles gesehene wird durch die Linse optisch auf den Kopf gestellt. Das Gehirn dreht dies automatisch wieder um in der Wahrnehmung!

Photorezeptoren

In der Retina unter Nervenzellen angeordnet. Unterbruch bei blindem Fleck (Sehnerv/Blutgefässe, siehe vorherige Seite). Die Fovea ist die Stelle des schärfsten Sehens, da dort die Rezeptoren

«blank» liegen.

• Stäbchen → Hell/Dunkel

• Zapfen → Farbsehen (genügend Licht)

Fehlsichtigkeit

Auge passt nicht zur Linse

➔ Muss extern korrigiert werden (Brille, Kontaktlinsen)

Anzahl Rezeptoren / Winkelgrad im Auge, Fovea bei 0°

Alterssichtigkeit

(meist Weitsichtigkeit)

Augenlinse verhärtet sich mit Alter. Dadurch reicht Brechkraft nicht aus, um Nahdistanzen auf Fovea zu fokussieren. → Brille benötigt

Farbsehstörungen

• Rot-Grün (v.a. Männer)

➢ Grünblind: M-Zapfen fehlen

➔ Grün mit Rot verwechselt

➢ Rotblind: L-Zapfen fehlen

➔ Rot mit Grün verwechselt

• Blau-Gelb (selten)

➢ Blaublind: S-Zapfen fehlen

➔ Blau mit Gelb verwechselt

Augenkrankheiten

Verarbeitung

Gesehenes wird nicht nach Auge, sondern nach Sehfeld verarbeitet

→ Rechtes Sehfeld, welches von der linken Hälfte des Auges wahrgenommen wird, wird in der Linken Hemisphäre verarbeitet (gleiches gilt umgekehrt)

Verarbeitungswege

Siehe Selektive Wahrnehmung s.26

Wahrnehmung

Gruppierung von Elementen

• Gleichartige Ele.

• Nahe Ele.

• Gleich bewegte Ele.

• Geschlossene Ele.

• …

Auditives System

Verstärkung des Signals

Der Schall wird über die mechanischen Eigenschaften der 3 Knochen um ca. das 22-Fache verstärkt

Leitungen des Hörens

Töne werden nicht nur via Luft, sondern auch via unser Skelett wahrgenommen. Dies vorallem bei tiefen & lauten Geräuschen

Signalumwandlung

• In der Hörschnecke nehmen

Haarsinneszellen die Frequenzen auf und leiten diese als Nervensignale weiter an das Gehirn.

• Im äusseren Bereich werden hohe Frequenzen wahrgenommen, im inneren tiefe Frequenzen.

• Diese Haare wachsen nicht nach, wenn sie verletzt werden, was zu Hörverlust führen kann. (Lärm, Infekt, Alter…)

Hörverlust

Im Verlauf des Alters nimmt das Hörvermögen ab. Konkret nimmt die Frequenzhöhe, welche man hören kann, ab. Auch kann es sein, dass man schwerhöriger wird, d.h. man lautere Töne wahrnehmen muss, um richtig zu Hören. Hörvermögen kann auch durch Verletzung vermindert werden.

Verarbeitung / Wahrnehmung

• Richtung kann festgestellt werden durch mehrere Eigenschaften eines Geräuschs:

➢ Lautstärkeunterschied li-re

➢ Latenzunterschied li-re

➢ Schallschatten (Beispielsweise durch Säulen, andere Menschen…)

• Weiterleitung zu Gehirn sehr kurz

Vestibuläres System

Gleichgewichtsorgan / Vestibularorgan

→ besteht aus 3 Bogengängen und 2 Makulaorganen

Sensieren von Beschleunigungen

• Linearbeschleunigung (bei statischer Körperlage)

➢ Makulaorgane

• Drehbeschleunigung / Rotation

➢ Orthogonale Bogengänge

Schwindel

Kann viele verschiedene Ursachen haben

• Widerspruch zu vernetzten Sinnesorganen (Optisch, Propriozeptiv)

• Entzündungen

• Drogen

• Schlaganfall

• Ohrsteinchen in Bogengängen

Chemische Sinne

• Phylogenetisch (biologisch / geschichtlich) älteste Sinne

• Chemorezeptoren, werden ständig ersetzt (2-4 Wochen)

• Übersicht Geschmacks- &

Geruchssinn:

Geschmackssinn

• Früher: Bereiche klar zugeordnet

• Heute: Alle Geschmacksrichtungen überall, jedoch verschieden konzentriert

• Schädigungen:

➢ Geschmacksknospen (z.b. viral)

➢ Hirnnerven (z.b. Zahnbehandlung)

➢ ZNS (z.b. Hirntumor)

Geruchssinn

• Rezeptoren nicht sehr selektiv

• Duftrichtung analysiert durch Aktivitätsmuster versch. Riechzellen

• Rezeptoren sind freie Nervenendungen in Schleimhaut

• Trigeminussystem:

➢ Reagiert auf generell «schädliche»

Sensationen (scharf, stechend, brennend, kalt…)

• Schädigungen:

➢ Riechschleimhaut (z.b. Vergiftung)

➢ Luftweg (z.b. Infektion, Allergie)

➢ Nerven (z.b. S-H-Trauma, viral)

Somatosensorik

• Sinn für Eigen- und Fremdwahrnehmung im und am Körper

• Unterteilt in zwei Bereiche

➢ Propriozeption (Eigenwahrnehmung, Tiefensensibilität)

➢ Exterozeption (Fremdwahrnehmung)

Propriozeption

• Positionssinn durch Messung der Längenänderung

→ Sensoren in Muskulatur

• Kraftsinn durch Messung der Spannung

→ Sensoren in Sehnen

Exterozeption

• Druck- & Dehnungsmessung (adaptiert langsam)

→ Sensoren in Haut & Gelenken (Ruffini Körperchen, freie Nervenenden)

• Schmerzmessung (Nozizeption)

→Sensoren in Haut & anderen Organen (freie Nervenenden)

→verschiedene Arten von Schmerz: Stechend (lokalisierbar) & Brennend (schlecht lok.bar)

→Schmerz erst durch Verarbeitung im Cortex

• Temperaturmessung

→Sensoren in Haut (freie Nervenenden)

→verschiedene Arten von Rezeptoren: Kalt (ca. 5°-40°C) & Warm (ca. 30°-40°C)

Übersicht afferente Nervenfasern

Molekulare Gesundheitswissenschaften

Definition

• Ziel ist die wissenschaftliche Erforschung der molekularen Ursachen von Krankheiten, um sie kausal behandeln bzw. effektiv vorbeugen zu können

• Interdisziplinäres Fachgebiet im Bereich Biologie und Medizin, das Inhalte und Fragestellungen der experimentellen Medizin mit den Methoden der Molekularbiologie und der Zellbiologie verbindet

Precision Medicine Definition

• Besseres Verständnis der Diversität von Krankheiten oder der Untergruppen von Krankheiten

• Identifizierung der Unterschiede zwischen den Patienten

• Identifizierung der besten Angriffspunkte für Medikamente

• Optimierung der Therapie für den Patienten (maximaler Nutzen mit minimalen Nebenwirkungen)

• Effizienter Einsatz vorhandener Mittel

Biomarker Definition

Merkmale, die objektiv gemessen werden können und als Indikatoren für normale oder pathogene biologische Prozesse sowie für pharmakologische Reaktionen auf therapeutische Behandlung dienen

• Biomedizinische Biomarker

➢ In Urin, Blut, Speichel, Biopsie, etc.

• DNS-basierende Biomarker

➢ Gen-Mutation, etc.

Entwicklung von Biomarkern

Methoden Genomik

• Erforschung der Genexpression und Genregulation

• Analyse der Wechselwirkungen zwischen Genen

➢ PCR, Microarrays, Southern Blot, etc.

Transkriptomik

• Analyse der RNA-Expression

➢ Reverse-Transkriptase-PCR, RNA-Sequenzierung, Northern Blot

Proteomik

• Erforschung des Proteoms mit biochemischen Methoden

➢ exprimierte Proteine, Proteinexpression

• Analyse der Funktion von Proteinen und von Protein-Protein-Interaktionen

➢ Massenspektrometrie, Chromatographie, Protein-Microarrays,Western Blot

Beispiel: COVID-19

Microarray

Stoffwechselkrankheiten (Adipositas & Diabetes) Übersicht

Adipositas

• Obesität / Fettleibigkeit

• Überdurchschnittliche Vermehrung des Körperfetts durch positive Energiebilanz

• Über BMI von 30Kg/m²

Diabetes

• Häufigkeit: 500k Schweizer →10% Typ 1, 90% Typ 2

• Symptome (v.a. Typ 1)

➢ Harndrang, Durst

➢ Schlechte Wundheilung (durch schlechte Immunabwehr & Durchblutung)

• Therapie/Prävention

➢ Insulin (Typ 1, evtl. Typ 2)

➢ Anpassung Lebensstil

Häufigkeit von Diabetes Alter/Geschlecht

Häufigkeit BMI > 30

Krankheitsmechanismen Diabetes

Normale Homöostaseregulation mittels Insulin

• Insulin inhibiert hepatische Glukoseproduktion und fördert Aufnahme von Zucker in Muskel und Fett

• Insulin induziert die

Fettsäureaufnahme in Muskel, Fett und Leber und hemmt die Freisetzung von Lipiden aus dem Fett

Homöostaseregulation durch Adipozyten

• Fettzellen geben frei Fettsäuren (FFA) je nach Bedarf ab

• Bei Insulinresistenz der Fettzellen wird unkontrolliert FFA freigesetzt

→Erster Schritt zu Typ 2

• Fehlerhafte Speicherung der FFA, z.b. übermässig in der Leber und Intramuskulär, fördert Typ 2 ebenfalls (Leber «besetzt» von Fett

→ Glukose bleibt in Blut)

Kann auch bei sehr schlanken Personen der Fall sein!

Qualität der Fettzellen

• Genom

➢ Typ 2 Diabetes zu ca. 50% vererbbar bei einem Elternteil mit Typ 2

• Lifestyle

➢ Bewegung & Sport hilft stark gegen Entwicklung von Diabetes

• Ernährung

➢ Unklar

➢ Gesunde Ernährung schadet jedoch nicht!

• Art der Fettzellenbildung

➢ Hyperplasie: Mehr kleine Fettzellen, unproblematisch

➢ Hypertrophie: Fettzellen vergrössern sich, was u.a. zu Entzündung führt, und schlussendlich zu Diabetes

Gesund

Krankhaft

Folgekrankheiten & Vorhersage Folgekrankheiten

• Hoher Blutzucker

➢ Biomarker für Diagnose

➢ Schädigung Blutgefässe und Nerven

• Organprobleme

• Herzinfarkt

• Schlaganfall

• Nierenschwäche

• Etc…

→Problematik: Folgeschäden treten bereits in frühem Stadium auf

Diagnose

• Alter

• Übergewicht

• Bluthockdruck

• Körperliche (in)Aktivität

• Stoffwechselprodukte in Korrelation mit gestörter Glukosetoleranz

Herz-Kreislauf-Krankheiten Übersicht

Häufigkeit: 35% aller Todesfälle in Schweiz Symptome: je nach Krankheit

• Bluthochdruck

• Herzrhythmusstörungen

• Angina Pectoris

• Aneurysma

• Etc…

Therapie/Prävention:

• Medikamente

➢ Gerinnungshemmer

➢ Betablocker

➢ Statine

➢ Etc..

• Chirurgische Eingriffe

➢ Bypass

➢ Herzschrittmacher

➢ Angioplastie (aufweiten Blutgefässe mittels Katheter))

➢ Etc…

Krankheitsmechanismen

Herzinfarkt

Diagnose:

• Anamnese

• Körperliche Untersuchung

• EKG

• Kardialer Biomarker

➢ Troponin →unterscheidet von anderen HK-Problemen

Krebs Übersicht

Häufigkeit: ca. 25% aller Todesfälle in der Schweiz Symptome:

• Unkontrolliertes Zellwachstum

• Untypische Blutungen

• Schmerzen

• Gewichtsverlust Therapie/Prävention

• Chemotherapie

• Strahlentherapie

Krankheitsmechanismen

Beispiel: Verdauungstrakt-Krebs durch Rauchen

Diagnose

• Anamnese

• Körperliche Untersuchung

• Bildgebung

• Biopsie

• Tumormarker im Blut (gewisse Krebsarten)

• Liquid Biopsy (gewisse Krebsarten) Beispiele Biomarker für Therapiewahl:

• Hemmung des überaktiven Wachstumsrezeptor mittels Antikörper Hercepin bei HER2- Positiver Brustkrebs (25% der Betroffenen)

• Operative Entfernung von Brüsten &

Eierstöcken bei BRCA-Mutation (2.5% der Brustkrebsformen)

Neurologische Krankheiten Übersicht

Demenz

Häufigkeit: 10% aller Todesfälle in der Schweiz → 2/3 davon Alzheimer Symptome:

• Kognitive Leistungsbeeinträchtigungen

• Persönlichkeitsveränderungen

• Etc…

Therapie/Prävention

• Medikamente

• Gedächtnistraining

Krankheitsmechanismen

Demenz

Diagnose:

• Anamnese

• Körperliche Untersuchung

• Kognitiver Kurztest

• Bildgebung

• Blutanalyse

• F-Desoxy-Glukose-PET →Differentialdiagnose

• Liquor-Diagnostik (Tau-Protein) →Differentialdiagnose

Gesundheit, Ernährung, Umwelt

Einflussfaktoren auf die Gesundheit Genetik

Genetische Prädisposition: Genetisch bedingte Empfänglichkeit für bestimmte Erkrankungen

Lebensstil

Medizinische Aspekte des Lebensstils:

• Ernährung

• Schlafverhalten

• Stress

• Bewegung

• Drogenkonsum

• Sexualität

Ernährung

• Ausgewogene Mahlzeiten, mit empfohlenen Mikro- & Makronährstoffmengen

• Empfehlung z.B. von Eidg. Ernährungskommission

• Bei alternativer Ernährung kann Mangel vorhanden sein, und sollte supplementiert werden

→möglicher Vitamin B12-Mangel bei veganer Ernährung

Schlaf

Chronisches Schlafdefizit kann starke Folgen haben

• Schwächung des Immunsystems → Anfälliger für Krankheiten

• Konzentrationsprobleme am Tag →Unfälle sind wahrscheinlicher

Stress

Chronischer (negativer!) Stress wirkt sich auf den Körper aus

• Schwächung des Immunsystems

• Herz-Kreislauf-Erkrankungen

• Magen- & Verdauungsprobleme

• Verstärkung von bestehenden Krankheiten (z.B. Ekzeme)

• Soziale Defizite

• Etc...

Bewegung

Genügend Bewegung hat positive Effekte auf die Gesundheit

• Reduktion Entzündungsfaktoren

• Verminderung Insulinresistenz

• Vermeidung Herzrhythmusstörungen

• Erhöhung Stressresistenz

• Verhindern von Depressionen

Drogenkonsum

Sexualität

• Sexuelle Betätigung fördert Ausschüttung positiv wirkender Stoffe

➢ Dopamin («feel goood» Hormon)

➢ Oxytocin («Kuschel» Hormon, soll gegen Brustkrebs und bei Testosteron Produktion helfen)

➢ Serotonin («Relax» Hormon, anti-depressive Wirkung)

• Häufig wechselnde Partner erhöhen Risiko von Geschlechtskrankheiten

Umwelt Klima

Temperatur:

• Kälte reduziert Immunabwehr

• Luftzug verstärkt Kältewirkung (Abtransport von Wärme) Luftfeuchtigkeit:

• Tiefe Luftfeuchtigkeit reizt Schleimhäute

→Angriffsort Erreger

Toxische Substanzen

Negativen Einfluss auf Gesundheit:

Herz-Kreislauf

• Tabakrauch

• Abgase (z.B. Kohlenmonoxid)

• Etc…

Krebs

• Tabakrauch

• Genotoxine (Nitrosamine, Aflatoxine) → Schädigung DNA

• Metalle (z.B. Arsen, Kadmium, Blei)

ADI: Acceptable Daily Intake

• Berechnet auf Basis toxischer Daten (dose-response curve)

•

Schätzwert für Menge einer Substanz, welche täglich eingenommen werden kann, ohne dass erhebliche Risiken für die Gesundheit bestehen

𝐴𝐷𝐼 = [

𝑚𝑔(𝑆𝑢𝑏𝑠𝑡𝑎𝑛𝑧) 𝑘𝑔(𝑃𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛)

𝑇𝑎𝑔 ] = 𝑁𝑂𝐴𝐸𝐿 ∗ 𝑆𝑖𝑐ℎ𝑒𝑟ℎ𝑒𝑖𝑡𝑠𝑓𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟(𝑛𝑜𝑟𝑚: 1 100)

Infektionskrankheiten

Siehe Vorlesung Infektion & Immunologie Übertragungswege:

•

Tröpfcheninfektion: Abstand, Maske

➢

Grippe, Masern, COVID-19

•

Aerosole: Abstand, Maske, Lüften

➢

Grippe, Masern, COVID-19

•

Kontakt: Hände Waschen

➢

Durchfallerkrankungen, Bindehautentzündungen, Herpes

•

Lebensmittel/Wasser: Kühllagerung, Erhitzen, Hygiene

➢

Salmonellen, Listerien

•

Lebende Vektoren (Mücken/Zecken): Kleidung anpassen, Insektenspray

➢

Borreliose, FSME, Malaria

Soziale Aspekte

Zugang zu medizinischen Leistungen

Bildung/Vorsorge/Gesetze

Gesundheitsförderung

•

Gesundheitsbildung verstärkt Bewusstsein für gesundheitliche Aspekte

➢

Persönliches Verhalten

➢

Verhältnisse Faktoren

Public Health

Methoden

Systematischer Ansatz mit Berücksichtigung von Wechselwirkungen zur Förderung interaktiven Denkens auf verschiedenen Ebenen:

• Molekulare Ebene

• Zelluläre Ebene

• Organismische Ebene

• Gesellschaftliche Ebene

Translationale Forschung

Definition

Zusammenarbeit von Grundlagenforschung und Klinischer Forschung

Problemfelder Einleitung

• 90% von Projekten scheitern vor Testung an Menschen

• < 5% wichtige Entdeckungen an Universitäten führen zu Änderung in Praxis

• Neue Medikamente vor allem in Pharmaindustrie, nicht Universitäten. Investition erst wenn Potential sichtbar

• Akademie: Konflikt mit Karriere (keine «echte» Forschung, weniger Publikationen)

• Klinik: Konflikt mit Tätigkeit, weniger angesehen

• Fehlschläge selten publiziert, obwohl dies wichtig wäre

• Verzögerungen durch Konflikt mit Patentierung

Kommunikation

Finanzierung