Nachrichten aus Berlin - Wissenschaft: Berliner Wissenschaftler rekonstruieren dreidimensionale Bilder von Nervenzellen

Berlin (ots) - 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. In einem Kooperationsprojekt des Bernstein-Zentrum
Berlin wurde nun ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die
verzweigte Struktur der Nervenzellen aus Mikroskopiedaten sehr exakt
und mit relativ wenig Aufwand rekonstruieren lässt - es werden
dreidimensionale Bilder von Nervenzellen entwickelt. Eine
Arbeitsgruppe leitete Prof. Dr. Klaus Obermayer vom Institut für
Softwaretechnik und Theoretische Informatik der TU Berlin. Der
zweiten Gruppe gehörte Dr. Carsten Duch unter der Leitung von Prof.
Dr. Hans-Joachim Pflüger von der FU Berlin an.

Ziel ist es, mit Hilfe von Computersimulationen die Bilder zu
nutzen, um die elektrophysiologische Funktionsweise des Neurons
nachzubauen und so etwas über die Informationsverarbeitung in
Nervenzellen zu lernen. Auch wie die verästelte Struktur der Neurone
während der Entwicklung des Nervensystems entsteht, und welche
Mechanismen das Auswachsen von Axonen und Dendriten steuern, lässt
sich anhand dreidimensionaler Modelle rekonstruierter Neuronen
untersuchen.

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 sehr
mühsames Verfahren. Die Berliner Wissenschaftler haben jetzt ein
halbautomatisiertes Verfahren entwickelt, mit dem die
dreidimensionale Struktur von Neuronen in relativ 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 - mit klassischen Methoden dauerte dies einen ganzen
Arbeitstag.

Bei dem halbautomatischen Verfahren werden vom Anwender die End-
und Verzweigungspunkte der Dendriten markiert. Dazu wird auch
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 exakt rekonstruiert.
Der Anwender kann das Resultat manuell nachbessern, um einzelne
Rekonstruktionsfehler zu beseitigen. Die Forschungsgruppe von Klaus
Obermayer hat mit der neuen Methode bereits eine Reihe von Neuronen
aus den Nervensystemen verschiedener Tiere rekonstruiert.

Kontakt: Prof. Dr. Klaus Obermayer,
Institut für Softwaretechnik und Theoretische Informatik, TU Berlin,
Tel.: 030/314-73120
E-Mail: mailto:oby@cs.tu-berlin.de

Berlin, 13. November 2007

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