Neuroethology / Neurobiology

 Neurobiologie-Skripten/Lectures:         http://www.s146213906.online.de/

Experimente mit dem künstlichen neuronalen Netz ODANN:

http://www.joerg-peter-ewert.de/12.html

Kommentierte Lehrveranstaltungen/Lectures and Courses 

Einführung in die Tierphysiologie, incl. Neurobiologie des Menschen

(Pflicht-Vorlesung für Diplom und Lehrämter 2 SWS, SS, ab 2. Semester; Voraussetzung für die Teilnahme am Physiologischen Kurs Teil 2: Tierphysiologie, an den Übungen zur Physiologie Teil 2: Tierphysiologie und am Großpraktikum Tierphysiologie).

Einsatz neuer Medien: Bei dieser Vorlesung handelt es sich um eine neu konzipierte multimediale Veranstaltung (ca. 130 Teil-nehmer/innen) unter Einsatz von PowerPoint Folien, Animationen, Videosequenzen und ausführlichem, reich illustriertem Skript. Vorlesungs-Skripten:  http://www.s146213906.online.de/

Inhalte:
Block1: ZNS und Neurone. Nervensysteme; Neurone, Organelle; Gliazellen; Entwicklung ZNS, PNS; Neuron-Glia/Interaktionen, Blut/Hirn-Schranke; Neuronen-Schaltungen
Block2: Bioelektrizität. Historisches; Ruhepotential (Henderson, Nernst, Goldmann); Fließgleich-gewichte; Carrier-Systeme; Membranzustände; Ionenkanäle; Aktionspotential
Block3: Erregungsleitung. Myelogenese ZNS, PNS; Dekrement; Kreisströmchen; Saltatorische Ausbrei-tung;Frequenz/Amplituden-Modulation, Regeneration; Rückenmarksfraktion
Block4: Synaptische Übertragungen. Schnelle/Langsame(2nd-Messenger)Synapsen; Vesikel-Prozesse; Gedächtnis,Signaltransduktionen, cAMP, IP3; Rechenoperationen; NO-gesteuerte Prozesse
Block5: Lernprozesse. Aplysia, Synaptische Sensitisierung, Lang- und Kurzzeitgedächtnis, CREB1/2;
Konditionierung, Langzeit-Potenzierung(LTP) und Langzeit-Depression(LTD)
Block6: Neurochemie der Emotionen (I). Belohnungs-und Bestrafungssysteme; Limbisches System; N. accumbens, N. amygdalae; Dopamin; Cocain, Amphetamin, Ecstasy; Canabis; Nicotin, Coffein
Block7: Neurochemie der Emotionen (II). Opiat-Sucht, Methadon;
Schizophrenie; Depressionen; Angst, Tranquilizer; Ethanol; "Cheeseburger-Phänomen", Melatonin/Serotonin, Winterdepression
Block8: Sinnesphysiologie(I), Chemorezeption. Geruchssinn (Insekten, Säuger), Geschmackssinn (Mensch); Rezeptor-Spezialisten/-Generalisten, Reiz/Erregungs-Transduktionen, Signalkaskaden
Block9: Sinne(II), Photorezeption. Linsenauge Säuger, Bau, Entwicklung; Reiz/Erregungs-Transduktion; Kodierung von Reizparametern, ON/OFF Antworten, Laterale Inhibition; Optik
Block10: Sinne(III) Haut, Seitenlinie, Innenohr. Mechanorezeptoren,Thermorezeptoren, Nozizeptoren, Mediatoren, Anästhetika; Haarzellen, Seitenlinie, Labyrinth, Utriculus, Corti-Organ, Anpassungen
Block11: Muskelphysiologie. Querstreifung, Aktin/Myosin-Interaktion; IP3, Ca2+ -Starter, ATP; Typ I/II-Myosine; Motorische Endplatte;Tetanus; Reflexbögen (vegetative/somatische)
Block12: Verhaltensphysiologie (Neuroethologie). Neuronenschaltungen, Programmsteuerung (Tritonia); Signal-Erkennung, Auslösemechanismen (Kröte); Motorische Systeme (Mensch), Parkinsonismus


Literaturempfehlung
- EWERT:  Neurobiologie des Verhaltens. Huber Verlag
- BOLHUIS/ GIRALDEAU:  The Behavior of Animals, Blackwell
- CAREW:  Behavioral Neurobiology, Sinauer
- DUDEL/ MENZEL/ SCHMIDT: Neurowissenschaft, Springer Verlag
- HELDMAIER/ NEUWEILER:  Vergleichende Tierphysiologie, Bd.1,   Springer Verlag
- KLINKE/ SILBERNAGEL: Lehrbuch der Physiologie, Springer Verlag


Einführung in die Stoffwechselphysiologie

(Vorlesung für Diplom und Lehrämter als Blockveranstaltung 2 SWS, WS, ab 1. Semester; Voraussetzung für die Teilnahme am Physiologischen Kurs 2. Teil: Tierphysiologie)
Kontaktadresse:  PD. Dr. T.Finkenstädt

Inhalte:
(1) Die Zellmembran: Aufbau, Stoff- und Flüssigkeitstransportmechanismen.
(2) Die molekulare Struktur des Organismus: Wasser, Salze und Spurenelemente, Vitamine, Kohlenhydrate, Proteine, Fette, Fetttransportzyklus.
(3) Stoffwechsel, Energiestoffwechsel und Ernährung: Stoffwechsel und Energiebilanz, Feststoffwechsel, Gasstoffwechsel, Kalorimetrie, Methoden der Gaswechseluntersuchung, Respiratorischer Quotient, Grundumsatz und Umsatzsteigerung, Wasserhaushalt.
(4) Wärmehaushalt und Thermoregulation: Temperatureffekte auf die Reaktionsgeschwindigkeit physiologischer Prozesse, Wärmebilanz, Temperaturanpassung - Poikilothermie, Temperaturregulation - Homiothermie, Hibernation.
(5) Verdauung: Verdauungsenzyme, Verdauung bei Wirbeltieren, Verdauung bei Wirbellosen.
(6) Atmung: Diffusionsverhalten von Atemgasen, Hautatmung, Wasseratmung, Luftatmung.
(7) Blut und andere Körperflüssigkeiten: Zusammensetzung und Abwehrfunktion, Sauerstofftransport, Kohlendioxid Transport, Blutgerinnung.
(8) Osmoregulation und Exkretion: Osmoregulation und Wasserhaushalt, Harnbereitung bei Wirbeltieren, Aufgabe und Leistung der Niere, Nervöse und hormonale Einflüsse.
(9) Hormone und Enzyme: Signaltransduktion, Hormonale Regulation am Beispiel des Insulin.

Literaturempfehlung:
- THEWS/VAUPEL: Vegetative Physiologie. Springer Verlag
- SCHARF/WEBER: Stoffwechselphysiologie: Schroedel Verlag
- KARLSON: Kurzes Lehrbuch der Biochemie. Thieme Verlag
- KEIDEL: Lehrbuch der Physiologie. Thieme Verlag


Einführung in die Humanbiologie, Teil: Hirnphysiologie

(Ringvorlesung für Diplom und Lehrämter; 2 SWS, SS, ab 2. Semester)
Einsatz neuer Medien: Bei dieser Vorlesung handelt es sich um eine neu konzipierte multimediale Veranstaltung (ca. 80 Teilnehmer/innen) unter Einsatz von PowerPoint Folien, Animationen, Videosequenzen und ausführlichem, reich illustriertem Skript.

Inhalte:
(1) Grundbauplan des Wirbeltiergehirns und des Rückenmarks. Sympathisches und parasympatisches Nervensystem.
(2) Cerebraler Cortex: Struktur und Funktion.
(3) Phylogenetischer Ursprung des Neocortex.
(4) Cortexfläche: phylogenetisches Angebot für Rechenkapazität.
(5) Genetische Steuerung der Cortex-Flächenvergrößerung.
(6) Corticaler Raumverteilungsplan: Widmungen und Umnutzungen.
(7) Das "duale Sehsystem": parallele Verarbeitungswege für Identifikation und Lokalisation. Sensorische Nutzung und sensorische Substitution: warum blinde Menschen mit ihrem visuellen Cortex fühlen können.
(8) Evolutionär konservierte Prinzipien: was Fliegengehirne und Menschengehirne genetisch verbindet.
(9) Homöostatische Triebe: Hunger- und Durst-Systeme.
(10) Nicht-homöostatische Triebe: Sexualität;  Sexuell-dimorpher Nucleus und sexuelle Motivation; Suprachiasmatischer Nucleus und sexuelle Neigung. Aggressivität.
(11) Stress; Eustress und Distress; Mutter/Kind-Beziehung und Stressresistenz; Stress-Achsen;  Sozialer Stress; Stress und Immunsystem.
(12) Denken und Bewusstsein.

Literaturempfehlung:
- EWERT: Neurobiologie des Verhaltens. Huber Verlag
- DUDEL/MENZEL/SCHMIDT: Neurowissenschaften. Springer Verlag
- SCHMIDT/THEWS: Physiologie des Menschen. Springer Verlag

 


Seminar zur Tierphysiologie, incl. Neurobiologie des Menschen
(Pflichtveranstaltung in der gewählten "Studienrichtung Physiologie" für Diplom; 2 SWS, WS, ab 3. Semester)
Einsatz neuer Medien: In diesem Seminar (ca. 35 Teilnehmer/innen) werden die Studierenden angeleitet, unter Einsatz von PowerPoint Folien, Animationen und zusammenfassenden Handouts sich an die aktuellen Präsentationswünsche in Industrie und Forschung anzupassen.

Inhalte:
Vorträge der Studierenden zu wechselnder Thematik. Hirnevolution: Evolution der Großhirnrinde; Evolution der Neandertaler; Evolutionärer Ursprung von Krankheiten. Visuelle Verhaltenssteuerung: Signale und Auslösemechanismen; Wahrnehmung im visuellen System der Primaten. Belohnungssystem und Drogensucht. Schizophrenie, Angst, Depressionen. Hunger und Durst. Sexualität und Aggressivität. Stress: Sozialer Stress; Stress und Immunsystem. Generation, Regeneration, Neuroprotektion; Teilungsfähigkeit von Nervenzellen im erwachsenen Gehirn. Bewegungskoordination: Bewegungsstarre und Bewegungsrhythmen; Motorisches System des Menschen; Zukunftstherapien bei Rückenmarksverletzungen; Hyperaktive Kinder. Tag/Nacht-Periodik: Innere Uhr und Schlaf; Rätselhafter Schlafzwang. Intelligenz und Lernen: Neuronale Grundlagen des Lernens; Gedächtnisfunktion; Erblichkeit kognitiver Stärken und Schwächen. Inselbegabungen. Künstliche Intelligenz: Klassische KI und künstliche neuronale Netze; Künstliches Leben; Virtuelle Ameisen als Software-Agenten. Bewusstsein: Rechtes und linkes Gehirn: Split-Brain und
Bewusstsein; Autismus; Leib/Seele-Problem.

Übungen zur Physiologie; Teil 2: Tierphysiologie, incl. Neurobiologie des Menschen
(Pflichtveranstaltung für die Lehrämter an Haupt- und Realschulen; 4. SWS, WS, ab 3. Semester). Inhalte: s. Physiologischer_Kurs


Übungen zur Physiologie; Teil 2: Tierphysiologie, incl. Neurobiologie des Menschen 
(Pflichtveranstaltung für das Lehramt an Gymnasien; 7 SWS, WS, ab 3. Semester). Inhalte: s. Physiologischer Kurs

 


Physiologischer Kurs; Teil 2: Tierphysiologie, incl. Neurobiologie des Menschen
(Pflichtveranstaltung für Diplom; 5 SWS, WS, ab 3. Semester)
An einem Wochentag (vormittags) für die Dauer von 6 Wochen. Die Studierenden arbeiten turnusmäßig in kleinen Gruppen an parallel veranstalteten verschiedenen Experimentalprojekten der Tier- und Humanphysiologie. Tierversuche (gem. Definition des Tierschutzgesetzes) werden durch adäquate Alternativen ersetzt.

Inhalte:

  • Stoffwechselphysiologie (Atmung). Experimentelle Bestimmung des Energieverbrauchs von Mehlkäferlarven. Ermittlung des respiratorischen Quotienten (RQ). Abhängigkeit des RQ von der Umgebungstemperatur. Beziehung zwischen RQ und kalorischem Äquivalent. Abhängigkeit des Energiebedarfs von der Körpermasse.
  • Sinnesphysiologie. Untersuchungen (am Menschen) zur Funktionsweise des visuellen und des akustischen Systems. Akkommodation, blinder Fleck, Farben- und Formensehen. Zeitliches und räumliches Auflösungsvermögen. Laterale Inhibition. Optomotorik. Ohr und Mikrophon. Hörschwellenkurve. Richtungshören. Messung der visuellen und akustischen Reaktionsgeschwindigkeit.
  • Muskelphysiologie. Experimentieren mit dem Muskel-Simulationsprogramm SimMuscle (quergestreifter Muskel). Vordehnung, Ermüdung, Verformung, Einzelzuckung, Kontraktionszeit, Refraktärzeit, Tetanus, Ruhedehnungskurve; isotonische/isometrische Maxima.
  • Kardiologie. Computer-gestützte EKG-Ableitungen am Menschen. Korrelate der P-Welle, QRS-Gruppe, T-Welle. Extrasystolen und kompensatorische Pause. Grundlagen der Blutdruckmessung. Beeinflussung des EKG und der Blutdruckwerte durch verschiedene körperliche Belastungen (z.B. Bewegung, Rauchen, Coffein-/Theophyllin-Genuss).
  • Verhaltensphysiologie. Verhalten elektrischer Fische (Elefantenrüsselfisch, Nilhecht). Bau schwachelektrischer Organe, Aufzeichnung elektrischer Entladungen, Abhängigkeit der Entladungen von verschiedenen Außenreizen. Elektroortung, Elektrokommunikation zwischen Artgenossen. Simulation eines Artgenossen.
  • Hirnphysiologie und Künstliche Intelligenz. Hirn-Anatomie und -Physiologie. Künstliche Neuronale Netze. Künstliche Intelligenz KI. Problemlösungen mit Hilfe von ein- bzw. zweischichtigen künstlichen neuronalen Netzen. AND-, OR-, XOR-Gates. Schwellen und Synapsengewichte. Simulation der Wurm- bzw. Antiwurm-Erkennung der Kröte mit Hilfe des zweischichtigen neuronalen Netzes ODANN. Topologie: Eingabematrix (Differenzbilder), Zwischenschicht (Hidden-Layer), Ausgabeschicht. Trainings-Algorithmus (Backpropagation). Topologie-Änderungen. Experimente zur Detektion, Invarianz, Generalisation und Abstraktion.
    Das ODANN Programm kann angefordert werden bei:
      ewertjp@gmx.de

 


Repetitorium zum Physiologischen Kurs; Teil 2: Tierphysiologie (Diplom)
E-Mail Kommunikation zu Sachfragen basierend auf der Vorlesung "Einführung in die Tierphysiologie",

 


Kolloquium zur Tierphysiologie (Diplom und Lehrämter)
Diskussion physiologischer Problemstellungen.

 


Großpraktikum Tierphysiologie, incl. Neurobiologie des Menschen
(Pflichtveranstaltung in der gewählten "Studienrichtung Physiologie" für Diplom; 15 SWS, SS, ab 5. Semester). An vier Tagen (vormittags) pro Woche für die Dauer von 6 Wochen. Die Studierenden arbeiten turnusmäßig in kleinen Gruppen an parallel veranstalteten verschiedenen Experimental-Blöcken der Tier- und Humanphysiologie. Tierversuche werden durch adäquate Alternativen ersetzt.  Kontaktadresse: 

Inhalte:

  • Bioelektrizität. Aspekte der Mess- und Regeltechnik. Messung von Diffusionspotentialen; Berechnungen nach Gleichungen von Henderson, Nernst und Goldmann. Vom Diffusionspotential zum Membranpotential. Künstliche omni- und semipermeable Membranen. Gleichgewichtspotential, Donnan-Gleichgewicht. Künstliche Lipid-Doppelschichten; Abhängigkeit der Interferenzfarbe von der Dicke der Membran (elektrische Leitfähigkeit bzw. Ionenpermeabilität); elektrische Messung der Permeabilität für Elektrolyte in der Ussing-Kammer; Steigerung der Permeabilität durch Zugabe von Ionophoren. Passive elektrische Membraneigenschaften; Äquivalenzschaltbilder (RC-Glieder).
  • Informationsverarbeitung (Leitung und Kodierung von Information).
    Experimentieren mit einem Nerven-Simulationsprogramm, SimNerv. Gegebenenfalls Erregungsphysiologische Untersuchungen an einem Nervenpräparat des Hausschweins (isoliertes Präparat in Nährlösung aus dem Schlachthof). Summenaktionspotentiale, Refraktärzeiten, Reizzeit/Reizspannungs-Kurve (Rheobase, Chronaxie), Leitungsgeschwindigkeiten und Latenzzeiten. Pharmakologische Beeinflussung der Nervenleitung. Modellversuche zur Erregungsleitung. - „Psychoglavanischer (=elektrodermaler) Hautreflex) bei der Rotbauchunke unter verschiedenen Reizbedingungen. Vergleiche mit sog. Lügendetektor.
  • Elektrokardiogramm (EKG) und Elektromyographie. Experimentieren mit den Simulationsprogrammen SimHeart und SimVessel.- Training mit dem Fahrrad-Ergometer. Leistungsbereich; Herz-/Kreislauf-Leistungsfähigkeit; Sollwertvorgaben für Ausbelastung; optimale Trainingspulsfrequenz. Aerobe und anaerobe Trainingsphasen. Erholungspulsmessung: Fitness-Tests unter verschiedenen Versuchsbedingungen. Ableitungen von EKGs nach verschiedenen Trainingsprogrammen; Computer-gestützte Auswertungen. Theorie und Praxis verschiedener Ableittechniken. Vertiefung der im Physiologischen Kurs erarbeiteten Grundlagen. - Elektromyogramm (EMG) und Muskel-Stimulation. Reflexbögen. Ableitung von EMGs am Menschen (Praktikanten/innen) während verschiedener Kontraktionszustände der Skelettmuskulatur und Auslösung koordinierter Hand/Arm-Bewegungen durch elektrische Stimulation motorischer Nerven mit Hilfe von Oberflächenelektroden. Latenzzeitmessungen unter verschiedenen Versuchsbedingungen. Elektrische Muskelstimulation; Variation der Reizparameter.
  • Elektroenzephalogramm (EEG). Computer-gestützte Ableitungen von Hirnströmen des Menschen (Brain Mapping) in verschiedenen Versuchssituationen: entspannte Ruhe, im Dunkeln sitzen; vor und nach dem Essen, verschiedene Positionen am Steuer im Autositz einnehmen; bestimmte Bewegungsabläufe der Extremitäten durchführen; bestimmte Bewegungsabläufe sich vorstellen; Gesichter erkennen; Gesichter sich vorstellen; visuelle Objekte lokalisieren. Klassifikation nach Alpha-, Beta-, Theta- und Delta-Wellen. Topographische Zuordnungen; Fragen zur Lateralität.
  • Neuromuskuläre Kontrolle: Pharmakologie/Toxikologie. Mollusken als Modellsysteme für Nerv-Muskelpräparate. Untersuchungen am isolierten glatten Muskel der Weinbergschnecke Helix pomatia. "Catch"-Mechanismus (=Dauerkontraktion ohne Energieaufwand). Kontraktion bzw. Relaxation des isolierten PRMuskels in Nährlösung (Blutersatzlösung) nach Zugabe verschiedener Neuro-Transmitter/-pharmaka: ACh, Curare, Nicotin, Coffein, Adrenalin, Dopamin, Serotonin. ACh löst Catch-analogen Mechanismus aus. Messung der Muskelmechanik. Messung der elektrischen Muskelaktivität. Transmitter-Pharmakologie. Toxikologie ökologisch relevanter Substanzen (Herbizide z.B. Carbamate sowie Abbauprodukte von Herbiziden z.B. Chlorphenoxiessigsäure). Diskussion von Problemen im Zusammenhang mit Ökotoxikologie.
  • Neuroethik/Stammeszellen. Filmdokumentationen als Einführung in die Diskussion über die Verwendung menschlicher embryonaler Stammzellen als Neuro-Implantate bei Erkrankungen des Zentralnervensystems. Fallstudie Parkinsonsche Krankheit. (I) Neurobiologen und Philosophen diskutieren über das Leib/Seele Problem: Wenn Bewusstsein und Seele Ausdruck physiko-chemischer Prozesse des Gehirns sind, - kann dann die Seele unsterblich sein?  (II) Diskussion über die Entschlüsselung des Bewusstseins: Von der Informationsverarbeitung zum subjektiven Erleben. III) Parkinsonsche Krankheit als Folge einer Störung des Hirnstoffwechsels: Dopamin-Defizit im Striatum, Krankheitsbild, L-Dopa-Therapie, Nebenwirkungen von L-Dopa; Konsequenz: Pallidoektomie. Erläuterungen des neurochirurgischen Eingriffs. (IV) Verlauf der Pallidoektomie bei vollem Bewusstsein des Patienten. Ergebnis nach rechts- und linksseitiger Pallidoektomie. Erfolge therapeutischer Hirnläsionen in der Neurochirurgie. (V) Risiken therapeutischer Hirnläsionen. Konsequenz: Grundlagenforschung; wie lässt sich die Chemie (Dopaminproduktion) des Gehirns einstellen? (VI) Menschliche embryonale Stammzellen als Neuroimplantate für Dopaminproduktion. Artikel 1: "Die Würde des Menschen ist unantastbar". Ist ein menschlicher Embryo ein Mensch?

  • Studentische Vorträge und Diskussionen zur Problematik aus unterschiedlicher Sicht:
    Recht und Ethik der biomedizinischen Forschung mit menschlichen embryonalen Stammzellen. Materialien: (1) Positionen der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG. (2) Beschlüsse des Deutschen Bundestages. (3) Stellungnahme des Nationalen Ethikrats. (4) Positionen des Verbands forschender Arzneimittelhersteller VfA. (5) Positionen der Evangelischen Kirche Deutschland EKD. (6) Positionen der Deutschen Bischofskonferenz. (7) Erklärungen der Päpstlichen Akademie für das Leben PAV. (8) Stammzellenforschung in der Europäischen Union EU.


Spezialpraktikum Neurobiologie
(Pflichtveranstaltung in der gewählten "Studienrichtung Physiologie" für Diplom; 7,5  SWS, SS/WS, ab 5. Semester). Experimente zu ausgewählten Forschungsthemen der Abt. Neurobiologie.


EEG-Laborpraktikum
(Wahlveranstaltung für Diplom und Lehrämter, SS/WS). Ausgewählte Themen der Elektroenzephalographie.


Anleitung zum wissenschaftlichen Arbeiten (für Diplom- und Lehramtsstudierende, ab 6. Semester)
Das Fachgebiet Zoologie/Physiologie (Abteilung Neurobiologie) bietet aus den Neurowissenschaften Themen an für Staatsexamens- und Diplomarbeiten sowie für Dissertationen.

Inhalte (Beispiele):

  • Quantitative neurophysiologische Analysen des visuellen Systems der Rotbauchunke mit Hilfe verschiedener Computer-gestützter Methoden: 14C-2-Desoxiglucose-Technik, intra/extrazelluläre Ableit,- Stimulations- und Färbetechniken
  • Quantitative verhaltensbiologische Analysen visuell gesteuerter Verhaltensweisen an Unken (Beutefang, Flucht,  etc.)

  • Elektroenzephalographie. Ableitung von Hirnströmen beim Menschen unter verschiedenen physiologischen und pathologischen Bedingungen (z.T. in Kooperation mit verschiedenen Kliniken in Kassel)

  • Experimente zur Analyse der Funktionseigenschaften von zweischichtigen künstlichen neuronalen Netzen
  • Literaturarbeiten zu verschiedenen Problemstellungen, vorzugsweise interdisziplinärer Art (Beispiele: Sprach/Leseareale des Gehirns und Linguistik, Drogenwirkung und Drogenproblematik)


Schnupperstudium Neurobiologie
(für Schüler, 2-tägige Blockveranstaltung, SS).  


Innovationen für Lehre und Studium

Bericht über Alternativen zu Tierversuchen in Physiologischen Praktika

Programm des HMWK zur Verbesserung der Lehre an Hessischen Hochschulen        

Im Rahmen dieses Programms haben wir uns zum Ziel gesetzt, Alternativen zu Tierversuchen in der Lehre zu entwickeln. Das betrifft Physiologische Praktika, Kurse und Übungen im Lehrangebot der Abteilung Zoologie/Physiologie, Neurobiologie des FB18. Inzwischen haben wir durch Anschaffung geeigneter Computer-gestützter Analysegeräte sowie entsprechender Software die Experimente mit Tieren (Tierversuche gem. §§ 7 und 10 TierSchG) für Ausbildungszwecke weitgehend durch Alternativen ersetzt. Beispiel hierfür sind die Experimentalprojekte M, K, H und E, die von den Studierenden in Gruppenarbeit behandelt werden:

Projekt M: Muskelphysiologie

Teil 1: Experimente mit der Simulationssoftware SimMuscle und SimHeart
Teil 2: Elektromyogramm (EMG) am Menschen

Projekt K: Kardiologie/Ergometrie (EKG)
Projekt H: Hirnphysiologie und Künstliche Intelligenz (KI)
Projekt E: Elektroenzephalogramm am Menschen (EEG)

Computer-gestützte Potentialableitungen und Brain-Mapping

Zur Evaluation der Projekte

Projekt M(1): Muskelphysiologie, Simulations-Software

Mit Hilfe der Simulationssoftware SimMuscle und SimHeart [Thieme-Verlag] (Projekt M, Teil 1) führen die Studierenden (Lehramt und Diplom) am Bildschirm die klassischen "Froschmuskelversuche" durch. Thematik: Elektro-Stimulation und Neuro-Pharmakologie des quergestreiften Skelettmuskels sowie des Herzens. Die Experimente finden in einem virtuellen Labor statt. Wir haben die im Rahmen einer Evaluation vorgetragenen Anregungen der Studierenden aufgegriffen und – ergänzend zum virtuellen Labor – alle Versuchskomponenten mit den jeweiligen Originalgeräten (ohne Präparat!) aufgebaut.

Projekt M(2): Muskelphysiologie, EMG-Ableitungen

Zusätzlich haben wir ein Teilprojekt eingeführt (Projekt M, Teil 2), bei dem die Studierenden sich als Probanden zur Verfügung stellen. Initiiert durch das Förderprogramm des Landes Hessen zur Verbesserung der Lehre konnten für diesen Zweck Geräte angeschafft werden, die es ermöglichen, vergleichbare Lerninhalte wie bei traditionellen in vivo Frosch-Muskelversuchen zu vermitteln. Auch dieses Teilprojekt fand bei den Studierenden uneingeschränkte Zustimmung, denn neben der guten Vermittelbarkeit der Lerninhalte war eine deutlich erhöhte Motivation zum Erarbeiten des Stoffes – sozusagen an sich selbst – zu erkennen.

Projekt K: Kardiologie/Ergometrie (EKG)

Dies betrifft in besonderem Maße auch das Projekt K, in dem unter verschiedenen Einflüssen (Nikotin, Koffein) und körperlichen Belastungen (Ergometer) von den Studierenden EKGs aufgenommen und ausgewertet werden (Reizleitung im Herzen, Fitness-Test, etc). Die Versuche lassen sich erweitern durch Langzeit-EKG und Langzeit-Blutdruck-Messungen. Für die Analysen steht entsprechende Auswerte-Software zur Verfügung. Da diese Projekte ohne jeden Zeitdruck wiederholbar durchgeführt werden können, besteht die Möglichkeit, individuelle Anomalien des Herz/Kreislaufsystems zu erkennen, auf die die Studierenden sonst nicht aufmerksam werden würden. In solchen Fällen kann bei Bedarf (wenn der/die betreffende Student/in es wünscht) eine anonyme Bewertung durch einen Facharzt (Kardiologen) vorgenommen und gegebenenfalls ein ärztliches Gespräch vermittelt werden.

Aufgrund der positiven Erfahrungen wurde in den Abschlussdiskussionen von studentischer Seite nachdrücklich ein weiterer Ausbau der Alternativen zu Tierversuchen in der Ausbildung erbeten. Diese Forderung ist koinzident mit Empfehlungen zur Verbesserung der Ausbildung, die während der Zentralen Fachkonferenz Biologie in Hessen (vgl. Abschlussbericht 1995) von Studierenden formuliert wurde, wonach ein Verzicht auf Tierversuche innerhalb der Ausbildung angestrebt werden soll. Wir haben aufgrund der ständigen Nachfrage nach zusätzlichen sinnvollen Alternativen Konzepte zum Ausbau weiterer Versuchseinheiten erarbeitet. Mit moderner Technik ist es für bestimmte Themenkreise möglich, auch hirnphysiologische Grundlagen und Funktionszusammenhänge zu vermitteln.

Projekt H: Hirnphysiologie und Künstliche Intelligenz (KI)

Das in diesem Experimental-Projekt erwähnte künstliche neuronale Netz ODANN (free Download) wird unter Neuronal Nets detailliert beschrieben.

Das Projekt H befasst sich mit hirnphysiologischen Untersuchungen und ermöglicht kausal analytisches Experimentieren mit Hilfe eines Künstlichen Neuronalen Netzes KNN (Software ODANN). Einleitend wird in einem wissenschaftlichen Film gezeigt, an welchen visuellen Merkmalen Erdkröten Beuteobjekte von Nichtbeute bzw. Feinden unterscheiden und dementsprechend ihr Verhalten steuern. Der hirnphysiologische Abschnitt der Video-Clips orientiert über moderne neurobiologische Untersuchungstechniken, die es erlauben, die elektrophysiologischen Grundlagen der zugeordneten Signalverarbeitung im Krötenhirn zu analysieren. Aus den Ergebnissen wird eine Arbeitshypothese über Bildverarbeitung im Krötenhirn abgeleitet und mit Hilfe eines Modells plausibel erklärt. Das Modell wird durch Hirnläsions-Experimente getestet, so dass aus den Testergebnissen eine Theorie über Bildverarbeitung im Krötenhirn abgeleitet werden kann. Das im Video dargestellte Szenario, in dem die Studierenden durch Rückfragen und Voraussagen mitarbeiten, dient als Einführung in Experimente mit künstlichen neuronalen Netzen. Anhand von Gedankenexperimenten wird zunächst die Funktionsweise eines KNN erläutert. Es wird die Frage beantwortet, wie miteinander verschaltete Neuronen – in Abhängigkeit ihrer Synapsengewichte und Antwortschwellen – logische Operationen der Boolschen Algebra durchführen können: einschichtige KNN simulieren AND bzw. OR Logik; für komplexere XOR Logik sind zweischichtige KNN erforderlich. Bildverarbeitung im Krötenhirn lässt sich ebenfalls mit einem zweischichtigen KNN simulieren. In Kooperation mit Mathematikern und Physikern haben wir als Experimentierplattform das Programm ODANN entwickelt, das mit dem Backpropagation-Algorithmus trainiert wird. Durch Variation von Neuronen in der Verarbeitungsschicht (Hidden-Layer) sowie durch teilweise Ausschaltung von Neuronen in dieser Schicht lassen sich Aussagen über die Funktion der künstlichen Neuronen machen. Besteht die Zwischenschicht nur aus einem Neuron, so verhält sich dieses bezüglich der Detektion von Bildmerkmalen „omnipotent“. Stehen in der Zwischenschicht jedoch mehrere Neuronen zur Verfügung, dann wird die Detektion verschiedener Bildmerkmale auf verschiedene Neuronen verteilt. Das Interessante ist, dass das künstliche Neuronensystem von sich aus „Arbeitsteilung“ entwickelt. Was lernen Studierende daraus? „Arbeitsteilung“, wie wir sie von biologischen Organismen kennen, muss sich nicht durch Mutation und Selektion herausgebildet haben. Möglicherweise ist Arbeitsteilung keine „Errungenschaft“ der Evolution, sondern eine Eigenschaft, auf die (auch künstliche) zur Selbstorganisation befähigte Systeme von sich aus zusteuern.

Darüber hinaus zeigt ODANN weitere Übereinstimmungen mit biologischen Nervensystemen: 1) Neuronen-Redundanz für die Konfigurierung des KNN [Vergleich: Für die Entwicklung unseres Gehirns sind ebenfalls wesentlich mehr Neuronen erforderlich, als später für die Hirndifferenzierung gebraucht werden]. 2) Vorteile des Verlusts bestimmter Neuronen zwecks Optimierung der Signalverarbeitung [Vergleich: nach der Geburt setzt in unserem Gehirn ein massiver Neuronenverlust durch programmierten Zelltot (Apoptose) ein; die Differenzierung unseres Gehirns im Zusammenhang mit Erfahrungen beruht auf der Bildung von neuen Verknüpfungen der verbleibenden Neuronen untereinander sowie auf bestimmten Bahnungen vorhandener Verknüpfungen]. 3) Interpolation, Generalisation, und Abstraktion als intrinsische Systemeigenschaften, die sich während des Trainings auf bestimmte Bild-Parameter gewissermaßen von selbst herausbilden können. Die diskutierten Gemeinsamkeiten zwischen biologischen und künstlichen Neuronennetzen fanden bei den Studierenden großen Anklang. Hierzu gehört auch die Erkenntnis, dass das Lernen eines Zusammenhangs nicht auf jenen speziellen Zusammenhang beschränkt ist, sondern, dass sich gleichzeitig weitere Fähigkeiten herauskristallisieren, die genutzt werden können, andere Zusammenhänge (leichter) zu erfassen. Dieser Aspekt ist gerade für Lehramtsstudierende interessant.

Diskussionspunkte: Diskutieren Sie jeweils die Detektionsgüte vor und nach der Verletzung sowie den Lernverlauf beim Nachtraining. Vergleichen Sie die Lernkurve des intakten Netzes mit der Lernkurve des verletzten Netzes. Lernen Netze, die primär mit einem ZS-Neuron angelegt sind gegenüber Netzen, die sekundär auf ein ZS-Neuron reduziert worden sind, unterschiedlich? Falls ja, warum? Wie lässt sich der Befund erklären? Sind ZS-Neurone gleich wichtig? Welche Eigenschaften haben sie für die W- bzw. A-Bewertung? Ist das Prinzip der Arbeitsteilung eine Errungenschaft der "Evolution" bzw. "Intelligent-Design"? – Diskutieren Sie Prinzipien der Neuronen-Redundanz (für die Hirnentwicklung bzw. für das Training eines KNN) und der Neuronen-Reduktion als Voraussetzung für Informationsspeicherung und Detektions-Geschwindigkeit. Vergleich zwischen Neurobiologie und Neuroinformatik. – Bildung axonaler Verbindungen (Synapsen) als Grundlage für das Langzeitgedächtnis im Gehirn. Berücksichtigung der Forschungsergebnisse des Neurowissenschaftlers Eric Kandel (Nobelpreis 2000): Neurotransmitter – G-Protein – AC – cAMP – PKA/MAPK – CREB2/CREB1 Regulator-Proteine für CRE-Gene – Proteinprodukt CAM-Hemmung – neue Verknüpfungen durch Axonkollaterale, Synapsenvergrößerung.

Hypothesen und Spekulationen: Proteinprodukt CPEB mit Prioneneigenschaft als Marker an der Synapse zur Stabilisierung und Spezifizierung der Information; Robustheit der Prionenproteine (vgl. BSE). Fragen: Erklärung für "Inselbegabungen", z.B. bei Autisten; schwache CREB2-Wirkung? Perspektiven für Lern-Potenz steigernde Neuropharmaka durch dosierte Hemmung der CREB2-Wirkung? Möglichkeit eines Zeitfensters für Langzeitspeicherung bzw. Erinnerung? Fragen: Wenn Langzeitgedächtnis auf neuen synaptischen Verknüpfungen beruht, worauf basiert die spezifische jahrzente lange Erinnerungsfähigkeit und die Gedächtnisauffrischung? Problem: Gewöhnliche Moleküle (Proteine) wären unbeständig. "Trick": Prionen-Proteine sind – wie z.B. von BSE bekannt – dauerhaft beständig. Gedächtnis-CPEB-Proteine könnten durch Interaktion mit mRNA (Gen-Kopien) die neuen Synapsen erinnerungsspezifisch markieren, Prionen-Gestalt annehmen und durch "Ansteckung" von CPEBs sich vermehren ("Gedächtnisauffrischung"). Profitiert das Langzeitgedächtnis von der "ansteckenden Eigenschaft" der CPEB Prionen? Handelt es sich bei BSE- und CJK-Erregern des ZNS um entartete Gedächtnis-Prionen?

CREB=cAMP-response-element-binding-protein

CPEB=cytoplasmic-polyadenylation-element-binding-protein

Da die Nerven- und Sinnensphysiologie einen Schwerpunkt in unseren Praktika bildet, haben wir ein weiteres Projekt aufgenommen, das die bioelektrische Aktivität von Zellverbänden in der Großhirnrinde (Cerebraler Cortex) des Menschen mit Hilfe des Elektroenzephalogramms EEG veranschaulicht (Projekt E). Mit dieser modernen und sehr anspruchsvollen Ableittechnik (Ableitelektroden liegen der Kopfhaut an) können die Studierenden verschiedene Faktoren untersuchen, die einen Einfluss auf ihre EEG-Tätigkeit haben. Dazu wird simultan von 20 Arealen der Kopfhaut abgeleitet: Die dort zu registrierenden EEG-Antworten werden mit Hilfe einer PC-Analyse-Software ausgewertet und beurteilt. PC-gebundene Systeme erlauben nicht nur eine on-line Auswertung der Originaldaten, sondern auch den späteren off-line Zugriff auf die Rohdaten. Die Studierenden haben dadurch die Möglichkeit, auch nach Versuchsabschluss den EEG-Rhythmus z.B. im Hinblick auf unterschiedliche Frequenzbänder zu beurteilen und topographische Aspekte des Brain-Mapping zu diskutieren. Die umfangreiche Analyse-Software fördert durch ihre große Flexibilität das eigenständige Studium von Lerninhalten. Daneben erlauben PC-gebundene Systeme durch ihren Modulaufbau auch spätere Anpassungen an Fragestellungen, die sich während des Versuchsprojekts ergeben.

Projekt E: Elektroenzephalogramm am Menschen (EEG)

Im Folgenden werden Beispiele aus Projekt E für bildgebende EEG-Ableitungen von der Cortexoberfläche studentischer Probanden vorgestellt: Versuch-A  Der Proband sitzt entspannt im Dunkeln; seine Beta-Wellen-Aktivität im EEG beschränkt sich in beiden Hirnhälften auf relativ kleine Bereiche des corticalen Frontallappens (Broca Area 46). Der Proband wird jetzt aufgefordert, mit gefalteten Händen die Daumen umeinander zu drehen; die maximale Beta-Aktivität verlagert sich jetzt in Bereiche des motorischen Cortex (Area 4) und des somatosensorischen Cortex (Area 3). Der Proband wird dann gebeten, die Bewegung einzustellen und die gleichen Bewegungen in Gedanken durchzuführen; daraufhin tritt ein ähnliches EEG-Muster auf mit deutlichen Spitzenaktivitäten im linken motorischen, temporalen und parietalen Cortex.

Abbildungen nach schuerg@uni-kassel.de

Die Studierenden lernen aus diesen Befunden, dass unser motorischer Cortex aktiv ist, wenn wir eine Bewegung durchführen, aber auch dann, wenn wir uns vorstellen, eine Bewegung durchzuführen. Das bedeutet z.B., dass sich Sportler durch mentales Training auf Wettkämpfe sehr effektiv vorbereiten (können). Versuch-B  Dem Probanden wird ein Bild gezeigt. In der Lokalisations-Aufgabe soll er feststellen, ob das Bild im Rahmen richtig zentriert ist; die Beta-Wellen-Aktivität seines EEG umfasst weite Bereiche des okzipitalen, parietalen, temporalen und frontalen Cortex. Daraufhin soll der Proband in der Identifikations-Aufgabe feststellen, was er auf dem Bild erkennt; die Beta-Aktivität verlagert sich zum temporalen und okzipitalen Pol. Nachdem das Bild entfernt worden ist, wird der Proband aufgefordert, sich an Einzelheiten des Bildes zu erinnern und sich diese genau vorzustellen; das typische Aktivitätsmuster tritt wieder auf mit etwas erhöhter Beta-Aktivität, vor allem in den rechten okzipitalen Sehzentren. Die Studierenden lernen aus diesen Befunden, dass beim Betrachten eines Bildes bestimmte Cortexareale (z.B. die Sehzentren) aktiviert werden. Hierzu gehört das V1,2,4-ITC-System, das der Objekt-Identifikation dient, und das V1,2,3,5-PPC-System, das der Objekt-Lokalisation dient. Interessanterweise werden bei der imaginären Vorstellung eines Bildes jene Sehzentren aktiviert, die während der vorhergehenden Analyse dieses Bildes aktiv waren.

Selbstverständlich müssen in den EMG-, EKG-, EEG-Versuchen, bei denen die Studierenden selbst die Probanden stellen, strenge technische Sicherheitsbestimmungen eingehalten werden. Aus diesem Grund waren wir gehalten, komplette entsprechend geprüfte Geräte anzuschaffen und diese in ein unseren Anforderungen entsprechendes Versuchskonzept einzubinden.