eprintid: 1389
rev_number: 8
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datestamp: 2000-11-23 00:00:00
lastmod: 2014-04-03 10:39:14
status_changed: 2012-08-14 15:01:02
type: doctoralThesis
metadata_visibility: show
creators_name: Sätzler, Kurt
title: 3D-Rekonstruktion von elektronenmikroskopischen Serienschnitten
title_en: 3D reconstruction from electron microscopical serial sections
ispublished: pub
subjects: 530
divisions: 851330
adv_faculty: af-13
keywords: Bioinformatik, Computergeometrie, Ultradünnschnittebioinformatics, computational geometry, ultrathin sections
cterms_swd: Elektronenmikroskopie, Dreidimensionale Rekonstruktion, Darstellende Geometrie, Neuroanatomie, Synapse
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.
abstract_translated_text: 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.
abstract_translated_lang: eng
class_scheme: msc
class_labels: 92C20, 92-08, 68U05, 65D18
date: 2000
date_type: published
id_scheme: DOI
id_number: 10.11588/heidok.00001389
ppn_swb: 1643182102
own_urn: urn:nbn:de:bsz:16-opus-13895
date_accepted: 2000-07-27
advisor: HASH(0x556120929960)
language: ger
bibsort: SATZLERKUR3DREKONSTR2000
full_text_status: public
citation:   Sätzler, Kurt  (2000) 3D-Rekonstruktion von elektronenmikroskopischen Serienschnitten.  [Dissertation]     
document_url: https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/1389/1/ksdiss00.pdf