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TU Berlin

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Forschung

Dreidimensionale Bilder von Neuronen

Montag, 19. November 2007

Wissenschaftler am Bernstein-Zentrum Berlin rekonstruieren die Struktur der Nervenzellen

Rekonstruktion der eingefärbten Nervenzelle Manduca sexta
Rekonstruktion der eingefärbten Nervenzelle Manduca sexta
Lupe

Milliarden von Nervenzellen, die über mehrere Billionen Kontakte miteinander kommunizieren – das ist das menschliche Gehirn. Über hochverzweigte Dendriten erhalten die Nervenzellen Signale und leiten diese über ihre langen Fortsätze, die Axone, weiter. Über insgesamt etwa eine Million Kilometer neuronaler "Leitungen" verfügt das Gehirn. Um zu verstehen, wie das Gehirn funktioniert, ist eine Analyse der Struktur dieses Netzwerks und seiner einzelnen Bestandteile unerlässlich. Dabei kommt es nicht nur darauf an, welche Neurone miteinander in Kontakt stehen – auch die Wege, die Signale innerhalb eines Neurons nehmen, wirken sich auf den Informationsfluss aus. Die Geschwindigkeit und somit auch die Verrechnung der Signale hängen von der Länge und Dicke sowie der Verzweigungsstruktur der Dendriten ab.

In einem Kooperationsprojekt von TU Berlin und FU Berlin wurde nun ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die verzweigte Struktur der Nervenzellen aus Mikroskopiedaten exakt und mit relativ geringem Aufwand rekonstruieren lässt. Die TU-Arbeitsgruppe leitete Prof. Dr. Klaus Obermayer vom Institut für Softwaretechnik und Theoretische Informatik.

Um die Struktur der Zellen in einem Gewebe zu untersuchen, müssen diese mit Fluoreszenzfarbstoffen angefärbt und im Mikroskop Ebene für Ebene abgetastet werden. Aus Hunderten von aufeinander folgenden Schichtaufnahmen kann dann der Forscher ein dreidimensionales Modell einzelner Neuronen rekonstruieren. Da die Dendriten der Neuronen kreuz und quer durch die Schichten verlaufen, ist das ein mühsames Verfahren.

Auf dem schmalen Grat zwischen Arbeitsaufwand und Fehlerträchtigkeit haben Stephan Schmitt und Dr. Jan-Felix Evers unter Leitung von Dr. Michael Sibila und Professor Obermayer nun ein halbautomatisiertes Verfahren entwickelt, mit dem die dreidimensionale Struktur von Neuronen in kurzer Zeit exakt rekonstruiert werden kann. Mit Hilfe modernster Bildverarbeitungsmethoden und fortgeschrittener Software erlaubt das Verfahren, ein komplexes Neuron in nur wenigen Stunden zu rekonstruieren, was mit klassischen Methoden einen ganzen Arbeitstag dauert.

Bei dem Verfahren werden die End- und Verzweigungspunkte der Dendriten markiert. Dazu wird festgelegt, welche der markierten Punkte direkt durch ein dendritisches Segment miteinander verbunden sind. Von der Software wird anhand der Initialisierung und der Bilddaten sowohl der Verlauf als auch die Oberfläche der einzelnen Dendriten genau rekonstruiert. Der Anwender kann das Resultat manuell nachbessern, um einzelne Fehler zu beseitigen.

Die Forschungsgruppe von Klaus Obermayer hat mit der neuen Methode bereits eine Reihe von Neuronen aus den Nervensystemen verschiedener Tiere rekonstruiert. Sie können ihre Modelle nutzen, um die elektrophysiologische Funktionsweise des Neurons nachzubauen und so etwas über die Informationsverarbeitung in Nervenzellen zu lernen.

ko / Quelle: "TU intern", 11/2007

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