D-USA Verbund: Entschlüsselung der dynamischen ultrastrukturellen Struktur dendritischer Spines

Unsere Fähigkeit, neue Informationen langfristig zu speichern, beruht auf der enormen Plastizität des Gehirns. Morpho-chemische Modifikationen einzelner dendritischer Spines spielen dabei eine wichtige Rolle, aber es fehlt bisher ein umfassendes mechanistisches Verständnis. Um dieses Defizit zu überwinden, sollen 3D-EM Rekonstruktionen mit realistischen Rezeptorkinetiken ausgestattet werden, um in Nanometer-Auflösung biophysikalische Modelle dendritischer Spines zu erzeugen. Um die elektrochemische Dynamik in derart komplexen Multi-Skalen-Umgebungen zu simulieren, sollen moderne numerische Verfahren (u.a. Finite-Elemente und schnelle Multi-Level-Löser) eingesetzt werden. Mit in-silico Experimenten sollen anschließend wichtige Faktoren der Signalausbreitung identifiziert und dazu verwendet werden, ein niedrig-dimensionales und mathematisch behandelbares Spine-Modell abzuleiten. Zusammen werden die Modelle das Konsortium in die Lage versetzen, sub-zelluläre Charakteristika der Informationsverarbeitung einzelner Spines zu studieren und die gewonnen Ergebnisse mit in-vivo und in-vitro-Daten zu vergleichen. Damit können neue experimentelle Hypothesen getestet und physiologische Daten interpretiert werden, die in gesunden und durch neurologische Krankheiten veränderten Gewebeproben gewonnen wurden.