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3D-Rekonstruktion von elektronenmikroskopischen Serienschnitten

Sätzler, Kurt

English Title: 3D reconstruction from electron microscopical serial sections

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PDF, German
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Abstract

In elektronenmikroskopischen, physikalischen Schnittserien ist keine Orientierung der Schnittbilder zueinander gegeben, was diese Aufnahmemethode für hochauflösende, dreidimensionale Untersuchungen zunächst ungeeignet erscheinen läßt. Die vorliegende Arbeit zeichnet jedoch einen neuen Weg vor, der die dreidimensionale Verarbeitung auch großer elektronenmikroskopischer Schnittserien zuläßt. Hierzu werden der Verlust der Orientierung und die beim Ultradünnschneiden auftretenden Stauchungen mathematisch durch allgemeine, lineare Transformationen modelliert. In einem eigens für diese Problemstellung entwickelten Programm (CAR) dienen die korrigierten, digitaliserten Querschnittsdaten der Objekte als Ausgangspunkt für die Rekonstruktion. Dem Rekonstruktionsalgorithmus ist der sog. Delaunaygraph zugrunde gelegt, der eine Zerlegung des Objektes in Tetraeder ermöglicht. Durch Einführung sog. interpolierender Punkte in die Rekonstruktion ist es möglich, auch Bifurkationen und hierarchisch geschachtelte Konturen topologisch richtig zu repräsentieren. Die in dieser Arbeit entwickelten Techniken wurden am Beispiel der sog. Calyx von Held, einer Riesensynapse im Hirnstamm der Ratte (Durchmesser ca. 20 µm) angewandt. Die Calyx wurde in 270 Ultradünnschnitte der Schnittdicke 70 nm geschnitten und mit einer Pixelauflösung von etwa 3 nm elektronenmikroskopisch erfaßt und digitalisert. Neben Volumen und Oberfläche der am Terminal beteiligten prä- und postsynaptischen Zellen wurde die Gröÿe des synaptischen Spaltes, die Anzahl, mittlere Größe und Verteilung der sog. aktiven Zonen bestimmt, die für den Vorgang der synaptischen Übertragung sehr wichtig sind. Daher werden diese Daten gemeinsam mit den Eckdaten der physiologischen Messungen als Ausgangspunkt für Reaktions-Diffusions-Simulationen der Transmittermoleküle im synaptischen Spalt dienen, welche zu einem besseren Verständnis der synaptischen Übertragung beitragen werden.

Translation of abstract (English)

This thesis demonstrates the feasibility of 3D reconstructions in high-resolution electron microscopy. In contrast to light microscopy, where a 3D data set of the specimen is obtained by means of optical sections, the orientation of ultrathin sections of biological structures has to be reconstructed in electron microscopy. The sectioning process is mathematically modelled by linear transformations, which also compensates for distortions introduced by the sectioning process. The corrections and the further data processing is done by means of a special software program (CAR), which was developed for this purpose. After applying the linear transformations to the digitized object slices, these serve as a basis for the implemented 3D reconstruction algorithm. In the presented algorithm, object space is divided into so-called Delaunay tetrahedra. By introducing additional interpolating points into the reconstruction, hierarchical contours and bifurcations can be handled and the contour data can be converted to a topologically correct surface and volume representation of the object. This approach was used for the reconstruction of the so-called Calyx of Held, a giant synapse in the medial nucleus of the trapezoid body of the rat brain stem (diameter of about 20 µm). The Calyx was dissected in 270 consecutive serial sections of 70 nm thickness, photographed under an electron microscope and later digitized with a lateral resolution of about 3 nm. Besides measuring volume and surface of the pre- and postsynaptic cells forming the terminal, cleft volume, number, average size and distribution of the so-called active zones were estimated, which are important for synaptic transmission. Therefore, this data will be used together with the results of electrophysiological measurements in simulation calculations of transmitter diffusion and reaction in the synaptic cleft, which will lead to a better understanding of synaptic transmission.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Sakmann, Prof. Dr. Bert
Date of thesis defense: 27 July 2000
Date Deposited: 23 Nov 2000 00:00
Date: 2000
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Medical Research
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Elektronenmikroskopie, Dreidimensionale Rekonstruktion, Darstellende Geometrie, Neuroanatomie, Synapse
Uncontrolled Keywords: Bioinformatik, Computergeometrie, Ultradünnschnittebioinformatics, computational geometry, ultrathin sections
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