M4435 Zellbiologie, synaptische Physiologie und
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Master-Module M4435 Zellbiologie, synaptische Physiologie und Pathomechanismen des Nervensystems Cell Biology, Synaptic Physiology, and Pathomechanisms of the Nervous System Modulverantwortliche/r Prof. Dr. Kurt Gottmann ([email protected]) Dozentinnen/Dozenten Prof. H.W. Müller, Dr. F. Bosse, Prof. K. Gottmann, Prof. C. Korth, Prof. S. Weggen Modulorganisation Prof. Dr. Kurt Gottmann ([email protected]) Arbeitsaufwand 420 h Lehrveranstaltungen Praktikum: 18 SWS Vorlesung: 2 SWS Leistungspunkte 14 CP Kontaktzeit 300 h Häufigkeit des Angebots Wintersemster Selbststudium 120 Dauer 6 Wochen Gruppengröße 6 Studierende Lernergebnisse/Kompetenzen Die Studierenden können die grundlegenden Konzepte der molekularen und zellulären Neurowissenschaft angeben und erklären. Die Studierenden können die grundlegenden neurozytologischen Methoden zur Herstellung, Differenzierung und Charakterisierung von primären Nervenzellkulturen anwenden, die Ergebnisse auswerten und beurteilen. Die Studierenden können die patch-clamp Technik eigenständig durchführen und zur Analyse synaptischer Aktivität in Neuronenkulturen anwenden. Sie können die damit erhaltenen Ergebnisse auswerten und beurteilen. Ebenso können die Studierenden Fluoreszenz-Imaging synaptischer Proteine und synaptischer Vesikel anwenden. Die Studierenden können die grundlegenden Methoden zur Erforschung von chronisch mentalen und degenerativen Hirnerkrankungen im funktionellen Zellmodell anwenden, die erhaltenen Ergebnisse auswerten und beurteilen. Die Studierenden können selbstständig und präzise mit Messgeräten/ Apparaturen aus dem Labor umgehen. Die Studierenden können eigenständig Versuche durchführen und planen. Lehrformen Vorlesung, Praktikum, Anfertigung von Referaten, Referat, Protokollführung Inhalte Vorlesung: 1. Abschnitt Neurozytologie (Prof. Dr. H.W. Müller; PD Dr. P. Küry; Dr. F. Bosse, Dr. G. Koopmanns, Dr. B. Grimpe) Neurozytologie: Neuronen und Gliazellen - Morphologie und Funktionen im Nervensystem; Extrazellulärmatrix: Aufbau und Funktion im Nervensystem; Zell-Zell-Kommunikation und Neurobiochemie der Synapse; Entwicklung des Nervensystems: Induktion, Neuro- und Gliogenese, Zelldeterminierung, Differenzierung und axonale Wegfindung, Neurotrophie und Apoptose; Neurale Stammzellen; Molekulare Pathophysiologie: Neurodegenerative Krankheiten, Nervenverletzung und Regeneration 2. Abschnitt Synapsen (Physiologie) (Prof. Dr. K. Gottmann, Dr. K. Nieweg) 71 Master-Module Ruhepotential, Aktionspotential; Spannungs-aktivierte Kanäle: Physiologie und Molekularbiologie; Synapsen allgemein, präsynaptische Transmitterfreisetzung; Postsynaptische Transmitterrezeptoren I (ionotrop); Postsynaptische Transmitterrezeptoren II (metabotrop); Synaptische Verschaltung des Hippocampus und Neocortex (Anatomie); Funktionelle Substrukturen neuronaler Netzwerke (Typen von Inhibition); Synaptische Langzeit-Plastizität 3. Abschnitt Pathomechanismen (Prof. Dr. S. Weggen, Dr. T. Jumpertz; Prof. Dr. C. Korth, Dr. A. Müller-Schiffmann, Dr. V. Bader) Die Alzheimer Erkrankung: Neuropathologie, molekulare Pathogenese und Therapieansätze, Intramembran-Proteolyse. Pathogenese anderer häufiger neurodegenerativer Erkrankungen (frontotemporale Demenzen, Parkinson-Erkrankung) Einführung in die chronisch mentalen Erkrankungen beim Menschen (Schizophrenie, rekurrierende affektive Erkrankungen; Störungen der Neurotransmittersysteme, besonders Dopamin; Tiermodelle mentaler Erkrankungen; Zell und in vitro Modelle anhand ausgewählter Proteine Praktikum: AG Müller (2 Wochen): Einführung in die Grundlagen der Neurozytologie: Herstellung von neuronalen und glialen Primärkulturen aus dem Rattenhirn. Untersuchung der Einflüsse verschiedener Kultursubstrate und Wachstumsfaktoren auf die Zelldifferenzierung und Zellteilungsrate. Brom-2-desoxy-Uridin (BrdU) Assay zur Bestimmung der Zellteilungsrate. Morphologische und immuncytochemische Zellcharakterisierung: Anwendung lichtmikroskopischer Methoden und Immunfluoreszenzverfahren (konventionelle Lichtmikroskopie, konfokale Laserscanning-Mikroskopie,) zur Darstellung morphologischer Zelldifferenzierung und zum immunzytologischen Nachweis spezifischer Zellreifungsmarker. Vergleich von ZNS Neuronen und Astrozyten mit Neuronen (Spinalganglien) und Schwannzellen aus dem peripheren Nervensystem. Neuronale Differenzierung von humanen adulten Stammzellen: Kultivierung und neurale Differenzierung humaner adulter Stammzellen aus Nabelschnurblut. Untersuchung der neuralen Zelldifferenzierung mit Hilfe etablierter neuraler Entwicklungsmarker durch Anwendung (fluoreszenz-)mikroskopischer Nachweismethoden sowie qPCR-Verfahren. Multielektroden-Array (NeuroChip): spontane elektrophysiologische Netzwerkaktivität während der Entwicklung von Neuronenkulturen. Analyse und statistische Auswertung von Multikanalmessungen. AG Gottmann (2 Wochen): Patch-Clamp-Technik: Elektrophysiologische Experimente an Synapsen zwischen kultivierten neocortikalen Neuronen (Maus). Primäre Zellkulturen neocortikaler Neurone (Maus). Erlernen moderner elektrophysiologischer Techniken (patch-clamp) an kultivierten Neuronen. Patchclamp Ableitungen spontaner synaptischer Aktivität. Patch-clamp Ableitungen evozierter postsynaptischer Ströme. Quantitative Analyse elektrophysiologisch registrierter synaptischer Signale Live-Imaging zentraler Neurone und Synapsen: Expression von GFP und Fluoreszenzimaging. Imaging fluoreszenzmarkierter Synapsen: Darstellung synaptischer Vesikel durch Expression von GFP-Fusionsproteinen; Darstellung des recycling synaptischer Vesikel mit FM Farbstoffen. AG Korth (1 Woche): Einführung in die Grundlagen der Aufreinigung von bioaktiven Proteinen aus E. coli: Induktion, Wachstumskurve, Lyse und Aufreinigung mit Metallaffinitätschromatographie. SDS-PAGE mit Coomassiefärbung zur Überprüfung der Reinheit. Einsetzen des aufgereinigten Proteins im PC12 Neuritenassay: Einführung in die Zellkultur. 72 Master-Module Möglichkeiten der Expression von Proteinen in Zellen: Expression nach Transfektion vs. tatinduzierte Proteintransduktion. Messen der Bioaktivität durch Zählen von Neuriten. Neuroanatomie des Dopaminstoffwechsels: Vergleich verschiedener Anfärbungen in transgenen Maushirnen mit Auffälligkeiten im Dopaminmetabolismus vs. Kontrollen. AG Weggen (1 Woche): Analyse der proteolytischen Spaltung des Amyloid-Vorläufer-Proteins (APP) und des NOTCHRezeptors: Transiente Transfektion von permanenten Zellinien; Immuncytochemische Analyse der NOTCH-Prozessierung; Nachweis von Amyloidpeptiden mittels ELISA; Analyse von APPMetaboliten mittels Western-Blotting. Seminar (praktikumsbegleitend): Kurzreferate der studentischen Teilnehmer über ein Thema ihrer Wahl aus dem Themenbereich der Vorlesung oder des Praktikums. Teilnahmevoraussetzungen Formal: Zulassung zum Masterstudiengang Inhaltlich: Grundkenntnisse in Neurobiologie werden vorausgesetzt. Prüfungsformen (1) Kompetenzbereich Wissen (80 % der Note): schriftliche Prüfung über die Inhalte der Vorlesung und des Praktikums (2) Kompetenzbereich Dokumentation (20 % der Note): Protokoll (Auswertung und Diskussion wissenschaftlicher Experimente) Voraussetzungen für die Vergabe von Kreditpunkten (1) Regelmäßige Teilnahme an den praktischen Übungen (2) Bestandene Modulklausur (3) Regelmäßige Teilnahme am Seminar und Präsentation eines Vortrages (4) Protokollabgabe Zuordnung zum Studiengang/ Schwerpunkt (Major- nur im Masterstudiengang) Master Biologie; Major: Entwicklungsbiologie/Physiologie Verwendung des Moduls in anderen Studiengängen Keine Stellenwert der Note für die Endnote Die Note fließt entsprechend der Leistungspunkte (CP) gewichtet in die Gesamtnote ein: M.Sc. Biologie 14/ 72 CP. Unterichtssprache Deutsch Sonstige Informationen Anmeldung für das Praktikum wird dezentral geregelt Prof. Dr. K. Gottmann, E-mail: [email protected] 73
