Promotionsarbeit
In der Zeit zwischen Anfang 2002 und Ende 2003 hat mich kaum ein Thema mehr
beschäftigt, als meine Dissertation. Mein Thema war die Separation
und Rekonstruktion funktionaler Elemente im Zentral-Nervensystem. Obwohl
das unglaublich kompliziert klingt, ist es eigentlich ganz einfach zu erklären:
Man schneidet ein Gehirn in dünne Scheiben, färbt die Zellen an und
meine Arbeit bestand dann darin, ein Computerprogramm zu schreiben, dass aus
vielen einzelnen Schnitten eine komplette dreidimensionale Rekonstruktion erstellt.
Ich will das dazu verwendete Verfahren hier nur sehr kurz erklären. Wer sich
wirklich mit der Arbeit auseinandersetzen möchte, sei auf die Seite
www.openneuron.org verwiesen, die meine
Arbeit wie auch unterschiedliche Möglichkeiten, diese weiter zu führen,
im Detail beschreibt.
Ziel meine Arbeit war es, eine Lücke im methodischen Spektrum
neurobiologischer Methoden zu schließen. Es ist heute möglich, das
Gehirn auf unterschiedlichen Ebenen zu beschreiben; so kann man etwa
mit einer Computertomographie das gesamte Gehirn betrachten oder mit dem
Lichtmikroskop eine einzelne Zelle. Es stehen jedoch
keine Methoden zur Verfügung, um die Anordnung aller Zellen innerhalb
eines Verarbeitungsgebietes (Nukleus) zu beschreiben.
Die Kenntnis von Anzahl und Anordnung der Zellen ist jedoch eine essentielle
Voraussetzung, um die Funktion eines Nukleus zu verstehen. Das von
mir entwickelte Verfahren zur Rekonstruktion basiert auf
Semidünnschnitten aus dem Gehirn der Wüstenrennmaus Meriones ungiuculatus.
Diese werden so gefärbt, dass die Zellkerne sichtbar werden und mit
einer Digitalkamera lichtmikroskopisch aufgenommen.
In einem ersten Schritt werden innerhalb einer Schnittebene mehrere
Einzelbilder patchworkartig zu einem Image Mosaic zusammengefügt.
Durch diesen Schritt ist die Auflösung innerhalb einer Schnittebene
praktisch unbegrenzt. Das Verfahren beinhaltet mehrere
Kontrollmechanismen und funktioniert praktisch fehlerfrei.
Danach werden die Bilder farblich korrigiert und mit Methoden der
Mustererkennung werden die Zellkerne extrahiert. Die Extraktion der
Zellkerne steht in ihrer Qualität einer manuellen Extraktion in nichts
nach.
Die Zellkerne dienen als Grundlage für den
Archimedes-Alignment-Algorithmus, der die Schnittserie in einen
dreidimensionalen Bezug setzt, indem aufeinander folgende Schnitte
aneinander ausgerichtet werden. Auch dieses Verfahren beinhaltet eine
Kontrolle und funktioniert fehlerfrei.
Aus diesen Daten kann dann eine Rekonstruktion erstellt
werden. Diese wird weiter ausgewertet und ergibt
schließlich ein dreidimensionales Abbild des untersuchten Bereichs.
Sämtliche Verfahrensschritte arbeiten entweder fehlerfrei oder mit
einer nur sehr geringen Fehlerrate. Somit stellt dieses Verfahren eine
robuste, effiziente und universell anwendbare Möglichkeit für die
umfassende Analyse der Neuronenverteilung im ZNS dar.
Das Verfahren eröffnet die Möglichkeit, Nuklei dreidimensional zu
untersuchen, bietet aber auch einen Ansatzpunkt um mittels
histologischer Daten weiteres Datenmaterial (etwa
elektrophysiologischer oder morphologische Daten) zu integrieren.
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