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Mehr über die Anatomie des menschlichen SCN

Auch in Abwesenheit von externen Zeitzeichen behält der Mensch einen Schlaf-Wach-Rhythmus bei, der sehr nahe an 24 Stunden liegt. Typischerweise besteht das zirkadiane System eines Organismus aus Komponenten, die Umwelteingaben empfangen, den 24-Stunden-Rhythmus erzeugen und die rhythmische Ausgabe an alle Gewebe des Körpers vermitteln. Bei Säugetieren ist die steuernde Uhrenkomponente, die einen 24-Stunden-Rhythmus erzeugt, der suprachiasmatische Nukleus (SCN), der sich in einem Teil des Gehirns, dem Hypothalamus, befindet. Der SCN produziert ein Signal, das den Rest des Körpers auf einem ungefähren 24-Stunden-Zeitplan halten kann. Da die Periode der inneren Uhr jedoch nicht genau 24 Stunden beträgt, sind Hinweise aus der Umwelt – vor allem Licht – erforderlich, um die Uhr jeden Morgen neu zu stellen und den Organismus mit der Außenwelt zu synchronisieren. Sehen Sie in dieser Animation, wie Sonnenlicht in ein Signal umgewandelt wird, das Neuronen im SCN zurücksetzen kann.

Licht tritt in das Auge ein und aktiviert Neuronen in der Netzhaut, die Photonen (Lichtteilchen) in elektrische Signale umwandeln. Die Netzhautneuronen leiten die elektrischen Signale von der Netzhaut über lange Axone im Sehnerven weiter. Auf dem Weg dorthin befindet sich das Chiasma opticum, wo sich die Sehnerven des linken und rechten Auges treffen und kreuzen. Am Chiasma opticum werden die visuellen Informationen weiter in den hinteren Teil des Gehirns geleitet, wo sie zu Bildern verarbeitet werden, die wir bewusst wahrnehmen können. Die Neuronen, die Informationen zum SCN transportieren, nehmen jedoch einen anderen Weg. Sie verlassen das Chiasma opticum und wenden sich nach oben, zum SCN (suprachiasmatisch bedeutet „oberhalb des Chiasmas“).

Der SCN ist eine kleine, paarige, flügelförmige Struktur im Hypothalamus, der sich an der Basis des Gehirns befindet. Die Animation zeigt den isolierten linken SCN, den Sehnerv und das Auge, während der rechte SCN eingebettet in den Hypothalamus im Gehirn gezeigt wird. Innerhalb jeder Seite des SCN befindet sich ein Netzwerk von bis zu mehreren tausend Neuronen. Experimente mit einzelnen isolierten SCN-Neuronen deuten darauf hin, dass jede SCN-Zelle eine funktionelle Uhr ist, die normalerweise mit der Aktivität ihrer Nachbarn synchronisiert ist.

Innerhalb eines einzelnen SCN-Neurons schaltet das Proteinprodukt eines biologischen Uhr-Gens die Produktion von mehr Protein aus, wodurch eine negative Rückkopplungsschleife entsteht. In der Animation „Das molekulare Modell der Säugetiere“ sehen Sie, wie diese molekularen Oszillationen zu zirkadianen Rhythmen führen.

Auch in Abwesenheit äußerer Zeithinweise behält der Mensch einen Schlaf-Wach-Rhythmus bei, der sehr nahe an 24 Stunden liegt. Typischerweise besteht das zirkadiane System eines Organismus aus Komponenten, die Umwelteingaben empfangen, den 24-Stunden-Rhythmus erzeugen und die rhythmische Ausgabe an alle Gewebe des Körpers vermitteln. Bei Säugetieren ist die steuernde Uhrenkomponente, die einen 24-Stunden-Rhythmus erzeugt, der suprachiasmatische Nukleus (SCN), der sich in einem Teil des Gehirns, dem Hypothalamus, befindet. Der SCN produziert ein Signal, das den Rest des Körpers auf einem ungefähren 24-Stunden-Zeitplan halten kann. Da die Periode der inneren Uhr jedoch nicht genau 24 Stunden beträgt, sind Hinweise aus der Umwelt – vor allem Licht – erforderlich, um die Uhr jeden Morgen neu zu stellen und den Organismus mit der Außenwelt zu synchronisieren. Sehen Sie in dieser Animation, wie Sonnenlicht in ein Signal umgewandelt wird, das Neuronen im SCN zurücksetzen kann.

Licht tritt in das Auge ein und aktiviert Neuronen in der Netzhaut, die Photonen (Lichtteilchen) in elektrische Signale umwandeln. Die Netzhautneuronen leiten die elektrischen Signale von der Netzhaut über lange Axone im Sehnerven weiter. Auf dem Weg dorthin befindet sich das Chiasma opticum, wo sich die Sehnerven des linken und rechten Auges treffen und kreuzen. Am Chiasma opticum werden die visuellen Informationen weiter in den hinteren Teil des Gehirns geleitet, wo sie zu Bildern verarbeitet werden, die wir bewusst wahrnehmen können. Die Neuronen, die Informationen zum SCN transportieren, nehmen jedoch einen anderen Weg. Sie verlassen das Chiasma opticum und wenden sich nach oben, zum SCN (suprachiasmatisch bedeutet „oberhalb des Chiasmas“).

Der SCN ist eine kleine, paarige, flügelförmige Struktur im Hypothalamus, der sich an der Basis des Gehirns befindet. Die Animation zeigt den isolierten linken SCN, den Sehnerv und das Auge, während der rechte SCN eingebettet in den Hypothalamus im Gehirn gezeigt wird. Innerhalb jeder Seite des SCN befindet sich ein Netzwerk von bis zu mehreren tausend Neuronen. Experimente mit einzelnen isolierten SCN-Neuronen deuten darauf hin, dass jede SCN-Zelle eine funktionelle Uhr ist, die normalerweise mit der Aktivität ihrer Nachbarn synchronisiert ist.

Innerhalb eines einzelnen SCN-Neurons schaltet das Proteinprodukt eines biologischen Uhr-Gens die Produktion von mehr Protein aus, wodurch eine negative Rückkopplungsschleife entsteht. Gehen Sie zur Animation „Das molekulare Modell der Säugetiere“, um zu sehen, wie diese molekularen Oszillationen zu zirkadianen Rhythmen führen.

Humaner SCN Anatomie Hintergrund

Lebende Organismen haben interne Mechanismen zur Zeitmessung entwickelt, um Verhalten und Physiologie mit den Zyklen von Tag und Nacht zu synchronisieren. Diese biologischen Uhren wurden in so unterschiedlichen Organismen wie Pilzen, Fruchtfliegen, Hamstern und Menschen gefunden. Die biologische Uhr des Menschen befindet sich tief im Inneren des Gehirns. Diese Animation nimmt den Betrachter mit auf eine dreidimensionale Tour, die dem Weg des Lichteinfalls in den suprachiasmatischen Nukleus (SCN) folgt, einer Ansammlung von Neuronen, die unsere zirkadianen Rhythmen reguliert.

Diese Animation wurde in Verbindung mit der HHMI-Reihe „Clockwork Genes“ der Holiday Lectures on Science im Jahr 2000 entwickelt: Discoveries in Biological Time.

Unterrichtstipps zur Anatomie des menschlichen SCN

Die Animationen in diesem Abschnitt sind für eine Vielzahl von Anwendungen im Unterricht geeignet. Nutzen Sie die folgenden Tipps für den Einstieg, aber halten Sie in naher Zukunft Ausschau nach spezifischeren Unterrichtstipps. Bitte teilen Sie uns mit, wie Sie die Animationen in Ihrem Klassenzimmer einsetzen, indem Sie eine E-Mail an [email protected] senden.

1. Nutzen Sie die Animationen, um abstrakte wissenschaftliche Ideen sichtbar und konkret zu machen.

2. Erklären Sie wichtige wissenschaftliche Prinzipien durch die Animationen. Zum Beispiel können die Animationen zu den biologischen Uhren verwendet werden, um die Grundlagen der Transkription und Translation zu demonstrieren.

3. Stellen Sie sicher, dass die Schüler den Stoff lernen, indem Sie Abschnitte der Animationen so oft wiederholen, wie Sie es für nötig halten, um die zugrunde liegenden wissenschaftlichen Prinzipien zu verstärken. Sie können Abschnitte der Animationen starten, neu starten und abspielen.

4. Bieten Sie den Schülern an, die Animationen entsprechend ihres eigenen Lernstils zu verwenden. Schüler, die eher visuell orientiert sind, können sich zuerst die Animationen ansehen und später den Text lesen, während andere es vielleicht vorziehen, zuerst die Erklärungen zu lesen und dann die Grafiken zu betrachten.

5. Binden Sie die Animationen in webbasierte Lernmodule ein, die Sie zur Ergänzung Ihrer Lehrpläne erstellen.

6. Ermutigen Sie die Studenten, die Animationen in ihre eigenen webbasierten Projekte einzubinden.

Ressourcen zur Anatomie des menschlichen SCN

1. Bear, MF, Connors, BW, und Paradiso, MA. Neuroscience: exploring the brain. Baltimore: Williams and Wilkins, 1996.

2. Herzog, ED, Takahashi, JS, and Block, GD. Clock controls circadian period in isolated suprachiasmatic nucleus neurons. Nature Neuroscience 1:708-713

3. Lydic, R, Albers, HE, Tepper, B, und Moore-Ede, MC. Dreidimensionale Struktur der suprachiasmatischen Kerne von Säugetieren: eine vergleichende Studie von fünf Arten. J. Comp. Neurol. 204: 225-237, 1982.

4. van den Pol, A. Hypothalamic suprachiasmatic nucleus: intrinsic anatomy. J. Comp. Neurol. 191: 661-702, 1980.

Human SCN Anatomy Credits

Director: Dennis Liu, Ph.D.

Wissenschaftliche Leitung: Joseph Takahashi, Ph.D.

Wissenschaftlicher Inhalt: Donna Messersmith, Ph.D.

Animator: Eric Keller