Der Kurs „Zelluläre Neurophysiologie“ bietet eine eingehende Auseinandersetzung mit den zellulären und molekularen Merkmalen neuronaler Funktionen. Zu den zentralen Themen gehören die zellulären Komponenten des Nervensystems, die Entwicklung des Zentralnervensystems sowie die Organisation und Funktion synaptischer und nicht-synaptischer Bereiche in Neuronen. Der Kurs untersucht die Rollen präsynaptischer und postsynaptischer Strukturen, die Polarität von Axonen und Dendriten sowie die Dynamik synaptischer Vesikel und befasst sich dabei eingehend mit den Mechanismen, die der synaptischen Plastizität und dem Lernen zugrunde liegen. Die Studierenden befassen sich zudem mit Reaktionen auf Verletzungen, Reparaturprozessen und den Unterschieden in der Regenerationsfähigkeit zwischen Zentral- und Periphernervensystem. Der Kurs schließt mit einer Analyse von Gap Junctions im Zusammenhang mit neuronaler Kommunikation, Entwicklung und Erkrankungen.
Der Kurs soll ein detailliertes und ganzheitliches Verständnis der molekularen und zellulären Neurophysiologie vermitteln. Gruppendiskussionen und die vorab bereitgestellten Leitfragen sollen das aktive Lernen unterstützen und ein tieferes konzeptionelles Verständnis des Stoffes fördern.
* Wichtige zelluläre Bestandteile des Nervensystems. Klassifizierung von Neuronen anhand traditioneller Methoden und neuartiger Ansätze.
* Migrationswege während der Entwicklung des Zentralnervensystems. Entwicklung der neuronalen Polarität und Spezifizierung von Axonen und Dendriten. Regulation des intrazellulären Transports in Axonen und Dendriten: neuronale Transportwege, Zytoskelett sowie Typen und Funktionen von Motorproteinen.
* Mosaikstruktur von Neuronen I.: Der präsynaptische Bereich und seine Funktionen. Quanteneinleitung und Ca-Mikrodomänen innerhalb der Präsynapse. Umsatz synaptischer Vesikel und präsynaptische Architektur.
* Mosaikstruktur von Neuronen II.: Der postsynaptische Bereich und seine Funktionen. Struktur und Funktion dendritischer Dornen. Entstehung und Aufrechterhaltung des postsynaptischen Bereichs. Phasentrennung und Gerüstproteine, Umlagerungen des Zytoskeletts. Transport und Umsatz von Neurotransmitterrezeptoren. Vergleich der postsynaptischen Merkmale exzitatorischer und inhibitorischer Neuronen.
* Mosaikstruktur von Neuronen III.: Das Axon und das axonale Anfangssegment. Entstehung, Struktur und Funktionen des AIS und des Ranvier-Knotens. Myelinscheide im PNS und im ZNS.
* Reparatur und Regeneration im zentralen und peripheren Nervensystem nach mechanischer Verletzung. Proximale und distale Ereignisse nach Axon-Durchtrennung, retrograde und anterograde Signale. Unterschiede bei der axonalen Regeneration im PNS und im ZNS. Reaktionen der Astroglia, Bildung von Glia-Narben.
* Verschiedene Formen neuronaler Plastizität und ihre Hauptformen: präsynaptische und postsynaptische Komponenten. Kurz- und langfristige synaptische Plastizität. Assoziatives Lernen: Spike-Timing-abhängige Plastizität, LTP und LTD. Intrinsische und homöostatische Plastizität, aktivitätsabhängige Anpassung auf synaptischer und zellulärer Ebene.
* Gap Junctions (GJs) im Nervensystem: funktionelle und pathologische Rollen. Struktur und Zusammensetzung von GJs und Hemikanälen. Funktionelle Bedeutung von GJs während der Entwicklung, der Synapsenreifung und bei Netzwerkfunktionen. GJs unter pathologischen Bedingungen.
Am Ende des Kurses wird der Lernende in der Lage sein:
– die zelluläre und molekulare Organisation des Nervensystems zu beschreiben, einschließlich der Spezialisierung von Neuronen und Gliazellen;
– die molekularen Mechanismen zu erläutern, die der neuronalen Entwicklung, der Polarität und dem intrazellulären Transport zugrunde liegen;
– die Struktur und Funktion synaptischer Kompartimente zu analysieren, indem präsynaptische und postsynaptische Prozesse miteinander verknüpft werden;
– die molekularen Grundlagen der axonalen Organisation, der Myelinisierung und der neuronalen Signalübertragung zu interpretieren; und
– Mechanismen der neuronalen Plastizität, Regeneration und interzellulären Kommunikation sowohl im physiologischen als auch im pathologischen Kontext zu bewerten.
Um den Kursinhalt vollständig nachvollziehen zu können, sind biologische Vorkenntnisse erforderlich, beispielsweise ein Bachelor-Abschluss in Biologie oder einem verwandten Fachgebiet. Dieser Kurs wird insbesondere Studierenden empfohlen, die sich für die molekularen und zellulären Grundlagen neuronaler Funktionen interessieren; daher sind fundierte Kenntnisse der allgemeinen Molekular- und Zellbiologie unerlässlich. Neben den empfohlenen Lehrbüchern stützt sich der Kurs auf aktuelle wissenschaftliche Übersichtsartikel, die für die Vermittlung aktueller Konzepte zu „brandaktuellen“ Themen der Neurowissenschaften erforderlich sind.
1) Byrne, Heidelberger, Waxham: Von Molekülen zu Netzwerken: Eine Einführung in die zelluläre und molekulare Neurowissenschaft. Hrsg.: J. H. Byrne, R. Heidelberger, M. N. Waxham. Academic Press, 3. Auflage, 2014. ISBN: 978-0-12-397179-1
2) Purves (Hrsg.): Neuroscience. 6. Auflage, 2018. Oxford University Press. ISBN 9781605353807
3) Wissenschaftliche Übersichtsartikel (verfügbar über die Canvas-/Teams-Seite des Kurses)
Der Kurs verbindet Vorlesungen mit interaktiven Gruppenaktivitäten, um ein umfassendes Verständnis der molekularen und zellulären Aspekte der Funktionsweise von Neuronen und ihrer Anpassung an die Umgebung zu fördern. Jede Sitzung kombiniert passives und aktives Lernen in einem strukturierten Ansatz:
1. Vorbereitung auf die Vorlesung: Die Studierenden werden gebeten, Handouts und empfohlene Literatur im Vorfeld durchzuarbeiten, um eine engagiertere und effektivere Teilnahme zu ermöglichen. Diskussionsthemen werden im Voraus bereitgestellt, um sowohl die individuelle Vorbereitung als auch die Gruppendiskussionen zu unterstützen.
2. Vorlesungen: Kernkonzepte werden in hybriden Vorlesungen vermittelt (die in Teams aufgezeichnet werden). Wichtige Themen werden in Gruppendiskussionen (siehe nächster Punkt) eingeführt und anschließend in einer vom Dozenten geleiteten Vorlesungsübersicht zusammengefasst.
3. Gruppendiskussionen in Breakout-Räumen: Gemeinsame Diskussionen in Teams ermöglichen es den Studierenden, sich mit Kommilitonen auszutauschen, Fragen zu stellen und ihr Verständnis zu vertiefen; sie sind so strukturiert, dass eine aktive Beteiligung aller gefördert wird.
4. Ergänzende Online-Ressourcen: Lehrbücher, Vorlesungsaufzeichnungen und zusätzliche Materialien unterstützen das Lernen außerhalb des Unterrichts und bereiten die Studierenden auf die mündliche Prüfung vor.
Dieser auf Herausforderungen basierende, studierendenzentrierte und technologiegestützte Ansatz stellt sicher, dass die Studierenden sowohl theoretisches Wissen als auch praktische Einblicke erwerben und so auf weiterführendes Studium und Forschung vorbereitet werden. Gruppendiskussionen fördern übergreifende Kompetenzen und interkulturelles Lernen. Ein inklusives Umfeld wird durch gleichberechtigte Teilhabe, Unterstützungsmaterialien für unterschiedliche Lernstile und die Offenheit der Lehrenden für Feedback betont, wodurch ein einladender Raum geschaffen wird, in dem alle Studierenden von ihrer aktiven Teilnahme profitieren können.
Zeugnis