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, soll im beantragten Projekt untersucht werden, wie sich die ultrastrukturelle 3D-Architektur dendritischer Spines auf deren Signalübertragung auswirkt. 3D-EM Rekonstruktionen sollen 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.