STAXS - Stochastische Axonsysteme: von räumlicher Dynamik zu Selbstorganisation

Das Ziel dieses Verbundprojektes ist es, ein quantitatives Verständnis der Morphologie und des Wachstums serotonergischer Nervenfasern im Gehirn höherer Lebewesen zu erreichen. Dabei sind die Aufgaben im Verbund die experimentelle Messung einzelner serotonergischer Axonen und der Struktur des aus vielen solcher Axone gebildeten Fasernetzwerks in der Gruppe von Skirmantas Janušonis an der University of California, Santa Barbara. Die Gruppe von Thomas Vojta an der University of Science and Technology, Rolla, unternimmt Großrechner-Simulationen einzelner Axone und des Fasernetzwerks. Schließlich ist es die Aufgabe der Gruppe von Ralf Metzler an der Universität Potsdam, quantitative theoretische Modelle für die Axonenmorphologie aufzustellen, welche dem konzeptuellen Verständnis der gemessenen und simulierten Morphologien dienen. Die Arbeiten der drei Gruppen sind stark miteinander verzahnt und basieren auf den komplementären Expertisen der Gruppen. Konkret geht es bei den Aufgaben der Metzler-Gruppe um die Modellierung des Nervenfaserwachstums in höheren Dimensionen durch Polymermodelle basierend auf langreichweitig korrelierten stochastischen Prozessen, sog. fractional Brownian motion. Dabei steht in erster Linie die theoretische Formulierung der Wechselwirkung wachsender Fasern mit den harten Rändern der Umgebung (Hirnschale etc.) sowie des Verzweigens wachsender Fasern. Solche Formulierungen sind theoretisches Neuland. Weiterhin sollen sich örtlich und/oder zeitlich variierende Modellparameter eingebaut werden, welche z.Bsp. Inhomogenitäten im Raum oder sich verändernde biochemische Umgebungen widerspiegeln sollen. Schließlich sollen Formulierungen entwickelt werden, um vom Wachstum einzelner Fasern zu einem Fasergewebe wechselwirkender Axonen zu kommen. Diese Formulierungen dienen der Vojta-Gruppe als Input zu den Simulationen und der Janušonis - Gruppe zur Interpretation experimenteller Daten.