Praktikum: Naturwissenschaftliche Arbeitsweisen: Neuropharmakologie - Lernen

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1 Praktikum: Naturwissenschaftliche Arbeitsweisen: Neuropharmakologie - Lernen Herzlich willkommen im Projekt Backstage Science. Ziel und Zweck dieses Projektes ist es, Wissenschaft und Schule einander näher zu bringen. Sie haben hier die Möglichkeit, in kleinen Gruppen mit professionellen wissenschaftlichen Methoden an grundlegenden naturwissenschaftlichen Phänomenen eigenständig zu forschen. Dazu ist Ihre Kreativität, aber auch eine genaue Planung und Auswertung der Versuche gefordert. 1 Der naturwissenschaftliche Erkenntnisweg Naturwissenschaft zu betreiben, bedeutet naturwissenschaftlich zu arbeiten. Am Anfang eines naturwissenschaftlichen Erkenntnisprozesses steht immer ein Phänomen, das zu einer Frage führt. Ein Neuropharmakologe oder eine Neuropharmakologin beispielsweise untersucht die Effekte von Substanzen auf die Funktionsweise des Gehirns. Da z.b. immer noch sehr kontrovers diskutiert wird, ob Cannabis-Konsum wirklich harmlos ist, interessiert ihn die Frage: Hat Cannabis-Konsum einen Einfluss auf das Lernvermögen? Der Wissenschaftler stellt nun eine begründete (Arbeits-) Hypothese auf: Da der Wirkstoff des Cannabis, das THC, an bestimmte Nervenzell-Rezeptoren bindet, die beim Lernvorgang beteiligt sind, vermute ich, dass regelmäßiger Cannabis-Konsum das Lernverhalten beeinträchtigt! Dabei greift er natürlich auch auf schon vorhandenes Wissen und Forschungsergebnisse zurück. Da Naturwissenschaften empirisch sind, das bedeutet, dass ihre Ergebnisse messbar und wiederholbar sein müssen, entwickelt der Wissenschaftler ein Versuchsparadigma, einen standardisierten Versuchsablauf für seine Experimente. Da unser Wissenschaftler ein Neuropharmakologe ist, der seine Ergebnisse aus Verhaltensversuchen an Ratten bezieht, wird er erst einmal die ihm zur Verfügung stehenden und ihm bekannten Methoden und Materialen benutzen. 1

2 Er plant ein Experiment, dessen Ergebnisse er objektiv und am besten quantitativ auswerten kann und das wiederholbar ist. Um aber überhaupt einen Effekt messen zu können, benötigt es Kontroll-Versuche. Kontrollen wären hier Versuchstiere, die ein Lernverhalten zeigen, ohne Cannabis zu konsumieren. Nur so kann er im späteren Vergleich überhaupt erkennen, ob ein messbarer Effekt vorliegt. Dabei stellt sich natürlich erst einmal die Frage, ob es überhaupt ein Versuchsparadigma gibt, das zuverlässige und messbare Ergebnisse liefert, die einen Lernvorgang repräsentieren. Die Ergebnisse der Experimente müssen nun kritisch diskutiert werden. Entweder sie bestätigen oder sie widerlegen seine anfänglich aufgestellten Hypothesen. Ist sie widerlegt, muss eventuell eine andere Hypothese entwickelt werden. Wird sie bestätigt, kann aus der anfänglichen Hypothese eine Theorie werden, bei der der Wirkmechanismus in Form eines Modells dargestellt wird. Hierbei muss natürlich auch der aktuelle Stand der Wissenschaft berücksichtigt und eingehend diskutiert werden. Die Ergebnisse werden in Fachzeitschriften und Büchern und auf Kongressen veröffentlich, dort diskutiert und im günstigsten Fall wird aus der formulierten Theorie eine allgemein anerkannte Theorie. So lange, bis ein anderer Forscher mit seinen Experimenten die Theorie widerlegt oder modifiziert. 2 Die Fragestellung Eine groß angelegte, interdisziplinäre Studie soll die Effekte des Cannabis-Konsums auf die Gesundheit von Menschen erforschen. Dabei sollen auch die Effekte auf das Gehirn untersucht werden. Ihre Arbeitsgruppe, die neuropharmakologisch und verhaltensbiologisch arbeitet, soll die Effekte des Cannabis auf das Lernvermögen erforschen. Die Aufgabe Ihrer Forschergruppe ist es, die Grundlagen für alle weiteren Versuche zu legen, indem Sie reproduzierbare Kontroll-Versuche für spätere neuropharmakologische Verhaltensversuche entwerfen, durchführen und auswerten. Die Anforderungen im Einzelnen: 1. Lässt sich aus den vorliegenden Materialien bzw. Versuchstieren ein Versuchsparadigma konstruieren und durchführen, das einen möglichen Lernvorgang messbar und quantitativ auswertbar macht. 2. Ist dabei die Stärke des Lernvorgangs veränderbar? 3. Ist der Lernvorgang rückgängig zu machen? 2

3 Zur Verfügung stehen: Versuchstiere: Ratte (Rattus norvegicus), Skinner-Box, Stoppuhr, Futter-Pellets, Leuchtdiode mit Schalter, T-Labyrinth Abbildung 1 Skinner-Box und T-Labyrinth 3 Die Hypothese Entwickeln Sie begründete Arbeits-Hypothesen, wie sich Verhaltensversuche mit der Skinner-Box und/oder dem T-Labyrinth realisieren lassen, die die obigen Fragen beantworten können. Die Hypothesen werden zusammen mit der eigentlichen Fragestellung schriftlich im Laborbuch (siehe unten) formuliert. Bedenken Sie dabei, ob ggf. bestimmte Vorversuche notwendig sind. Überlegen Sie genau, wie die Experimente ablaufen sollen, welche Verhaltensweisen der Tiere beobachtet werden sollen, wann ein Experiment beendet ist oder wann es abgebrochen wird. Ab wann wird die Zeit gemessen, welche Versuchsparameter sollen konstant gehalten werden, welche sollen wie und wann verändert werden? 4 Das Experiment Überprüfen Sie Ihre Hypothesen, indem Sie ihre geplanten Experimente durchführen. Achten Sie dabei auf eine genaue Protokollierung (siehe Laborbuch). Denken Sie daran, dass ihre Ergebnisse quantifizierbar sind und z.b. in Form einer Grafik ausgewertet und präsentiert werden sollen. Hinweis: Bei den folgenden Versuchen wird mit lebenden Tieren (Ratten) gearbeitet. Diese Ratten werden in der Universität gezüchtet und gehalten. Sie werden nur für diesen Versuch eingesetzt. Nach Versuchsende werden die Tiere wieder in ihre Käfige überführt. Bei den Versuchen handelt es sich lediglich um Verhaltensversuche, wobei ein normales Verhalten 3

4 der Tiere beobachtet wird. Die Tiere erleiden keinen Schaden. Um ebenso Stress für die Tiere zu vermeiden, ist ein sachgemäßer, vorsichtiger Umgang notwendig. Die Tiere werden daher weder unnötig berührt oder gar geärgert. Die Handhabung erfolgt durch die Betreuer oder nach einer Einweisung. Keiner muss die Tiere anfassen. Während des Versuchs ist auf eine ruhige Arbeitsatmosphäre zu achten. Wurden die Tiere berührt, so müssen anschließend die Hände gewaschen werden. Die Ratten sind an den Umgang mit Menschen gewöhnt und zahm. Sie können aber auch beißen, wenn sie sich bedroht fühlen. Sollte das geschehen, müssen sofort die Betreuer informiert werden. Ebenso sollten die Betreuer vorher informiert werden, ob Allergien vorhanden sind, die den Umgang mit den Tieren beeinträchtigen könnten. 5 Die Ergebnisse Stellen Sie ihre Ergebnisse in einer angemessenen Form grafisch dar (siehe Laborbuch). 6 Die Diskussion Diskutieren Sie Ihre Ergebnisse. Erläutern Sie dabei, ob ihre Versuche das Potenzial besitzen, als Grundlage und Kontrolle für zukünftige neuropharmakologische Studien zu dienen. Gehen Sie dabei auch auf Ungenauigkeiten und Fehlerquellen in ihren Versuchen ein. Für den Fall, dass kein Lernvorgang zu messen war, stellen Sie Hypothesen für ein alternatives Versuchsparadigma auf. Entwickeln Sie aus ihrer Hypothese und ihren Ergebnissen eine Theorie des beobachteten Lernvorganges der Ratte (welche einzelnen Schritte führen zu der Verhaltensänderung, die wir hier als Lernen bezeichnen; hier eignet sich die Darstellung in Form eines Flussdiagrammes). Stellen Sie auch kurz dar, wie weitere Experimente aussehen könnten, bei denen dann schließlich der Einfluss von Cannabis auf das Lernverhalten gemessen werden könnte. 7 Die Veröffentlichung Fassen Sie Fragestellung, Hypothesen, Versuchsdurchführung, Ergebnisse und Diskussion in Form einer einseitigen, gut formulierten Kurzmitteilung zusammen. Entwerfen Sie einen aussagekräftigen Titel. Verwenden Sie folgende Gliederung: Einleitung, Material und Methode, Ergebnisse und Diskussion. Präsentieren sie ihre Ergebnisse in der Lerngruppe und diskutieren sie sie kritisch aber konstruktiv. 4

5 Laborbuch Fragestellung: Geplante Versuche (Arbeits-Hypothesen): 5

6 Ergebnisse zum Versuch Operante Konditionierung mit der Skinner-Box, Nr. Gruppe ; Datum ; Uhrzeit: Bemerkungen zu den Experimenten: Experiment Zeit Rechter Hebel Linker Hebel Bemerkungen 1

7 Lernkurve Skinner-Box Anzahl der rechten Hebeldrücke Versuchszeit [Min] 2

8 Ergebnisse zum Versuch T-Labyrinth-Lernen, Nr. Datum. ; Uhrzeit: O O Bemerkungen zum Versuchsablauf: Experiment Zeit (Min) Bemerkungen 3

9 Lernkurve - Labyrinth-Lernen Zeit [Sek] Versuch Nr. 4

10 Diskussion: 5

11 Kurzmitteilung: Forschungsbericht Gruppe: Abteilung Neuropharmakologie Titel: 6