Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Dreidimensionale Bilder von Neuronen

13.11.2007
Wissenschaftler am Bernstein-Zentrum Berlin rekonstruieren dreidimensionale Struktur von Nervenzellen

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 Millionen Kilometer neuronaler "Leitungen" verfügt das Gehirn.

Um zu verstehen, wie das Gehirn funktioniert, warum wir denken und fühlen können, 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 wurde nun ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die verzweigte Struktur der Nervenzellen aus Mikroskopiedaten sehr exakt und mit relativ wenig Aufwand rekonstruieren lässt. 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.

... mehr zu:
»Dendrit »Nervenzelle »Neuron

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 Neurone rekonstruieren. Da die Dendriten der Neurone kreuz und quer durch die Schichten verlaufen, ist das ein sehr mühsames Verfahren. Bisherige Ansätze, diese zeitraubende und schwierige Aufgabe zu automatisieren, haben einen gravierenden Nachteil: Der Anwender verliert die Kontrolle über das, was die Maschine tut.

Jede Färbung hat ein Hintergrundrauschen - unspezifische Fluoreszenzfärbung außerhalb des gefärbten Neurons. Zu "entscheiden", welche Fluoreszenz dem Neuron zuzuschreiben ist und welche nicht, ist für ein Softwareprogramm zur Neuronrekonstruktion nicht so ohne weiteres möglich. Mit jeder Automatisierung des Verfahrens sinkt daher die Akku-ratheit der Rekonstruktion.

Auf dem schmalen Grat zwischen Arbeitsaufwand und Fehlerträchtigkeit haben Dipl.-Inf. Stephan Schmitt und Dr. Jan-Felix Evers unter Projektleitung von Dr. Michael Sibila und Prof. Dr. Klaus Obermayer nun ein halbautomatisiertes Verfah-ren 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 so etwas 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. Mit Hilfe von Computersimulationen können sie ihre Modelle 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 Neurone untersuchen./ko

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

Dr. Kristina R. Zerges | idw
Weitere Informationen:
http://www.pressestelle.tu-berlin.de/medieninformationen/

Weitere Berichte zu: Dendrit Nervenzelle Neuron

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Informationstechnologie:

nachricht TU Ilmenau entwickelt Chiptechnologie von morgen
20.04.2017 | Technische Universität Ilmenau

nachricht Datenschutzwächter sichert Smart Homes
20.04.2017 | FZI Forschungszentrum Informatik am Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Immunzellen helfen bei elektrischer Reizleitung im Herzen

Erstmals elektrische Kopplung von Muskelzellen und Makrophagen im Herzen nachgewiesen / Erkenntnisse könnten neue Therapieansätze bei Herzinfarkt und Herzrhythmus-Störungen ermöglichen / Publikation am 20. April 2017 in Cell

Makrophagen, auch Fresszellen genannt, sind Teil des Immunsystems und spielen eine wesentliche Rolle in der Abwehr von Krankheitserregern und bei der...

Im Focus: Tief im Inneren von M87

Die Galaxie M87 enthält ein supermassereiches Schwarzes Loch von sechs Milliarden Sonnenmassen im Zentrum. Ihr leuchtkräftiger Jet dominiert das beobachtete Spektrum über einen Frequenzbereich von 10 Größenordnungen. Aufgrund ihrer Nähe, des ausgeprägten Jets und des sehr massereichen Schwarzen Lochs stellt M87 ein ideales Laboratorium dar, um die Entstehung, Beschleunigung und Bündelung der Materie in relativistischen Jets zu erforschen. Ein Forscherteam unter der Leitung von Silke Britzen vom MPIfR Bonn liefert Hinweise für die Verbindung von Akkretionsscheibe und Jet von M87 durch turbulente Prozesse und damit neue Erkenntnisse für das Problem des Ursprungs von astrophysikalischen Jets.

Supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien sind eines der rätselhaftesten Phänomene in der modernen Astrophysik. Ihr gewaltiger...

Im Focus: Deep inside Galaxy M87

The nearby, giant radio galaxy M87 hosts a supermassive black hole (BH) and is well-known for its bright jet dominating the spectrum over ten orders of magnitude in frequency. Due to its proximity, jet prominence, and the large black hole mass, M87 is the best laboratory for investigating the formation, acceleration, and collimation of relativistic jets. A research team led by Silke Britzen from the Max Planck Institute for Radio Astronomy in Bonn, Germany, has found strong indication for turbulent processes connecting the accretion disk and the jet of that galaxy providing insights into the longstanding problem of the origin of astrophysical jets.

Supermassive black holes form some of the most enigmatic phenomena in astrophysics. Their enormous energy output is supposed to be generated by the...

Im Focus: Neu entdeckter Exoplanet könnte bester Kandidat für die Suche nach Leben sein

Supererde in bewohnbarer Zone um aktivitätsschwachen roten Zwergstern gefunden

Ein Exoplanet, der 40 Lichtjahre von der Erde entfernt einen roten Zwergstern umkreist, könnte in naher Zukunft der beste Ort sein, um außerhalb des...

Im Focus: Resistiver Schaltmechanismus aufgeklärt

Sie erlauben energiesparendes Schalten innerhalb von Nanosekunden, und die gespeicherten Informationen bleiben auf Dauer erhalten: ReRAM-Speicher gelten als Hoffnungsträger für die Datenspeicher der Zukunft.

Wie ReRAM-Zellen genau funktionieren, ist jedoch bisher nicht vollständig verstanden. Insbesondere die Details der ablaufenden chemischen Reaktionen geben den...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungen

Baukultur: Mehr Qualität durch Gestaltungsbeiräte

21.04.2017 | Veranstaltungen

Licht - ein Werkzeug für die Laborbranche

20.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Intelligenter Werkstattwagen unterstützt Mensch in der Produktion

21.04.2017 | HANNOVER MESSE

Forschungszentrum Jülich auf der Hannover Messe 2017

21.04.2017 | HANNOVER MESSE

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungsnachrichten