Berliner Wissenschaftler rekonstruieren dreidimensionale Bilder von Nervenzellen

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