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Drittmittelprojekt

Titel:
Virtual Brain, Anwendung und Einführung eines Standards für das Drosophila-Gehirn

Projektleitung an der Universität Würzburg:

Beteiligte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler:

Kurzbeschreibung:

Forschungsschwerpunkte:

Ziel des Teilprojekts ist die Entwicklung eines virtuellen Neuroanatomie-Labors (VNLs) für die Neurogenetik von Drosophila melanogaster. Das VNL soll es ermöglichen (1) vollständige, mit dem confocalen Laser-Scanning-(CLS-) Mikroskop gewonnene dreidimensionale (3D-)Datensätze des Fliegengehirns in geeigneter Weise zu bearbeiten; (2) gleichzeitig zwei komplette Datensätze auf dem Bildschirm darzustellen (um sie z.B. zu überlagern); (3) Mittelwerte und Varianzen von mehreren Gehirnen zu bestimmen ("Standardgehirn"); (4) Unterschiede von Gehirnen und Gehirnregionen verschiedener Tiere quantitativ auszuwerten und schließlich (5) Genexpresionsmuster und Einzelzellen in das Standardgehirn einzupassen. Die Daten des VNL sollten im Internet verfügbar gemacht werden.




Ergebnisse:

Auf der Basis von AMIRA wurden für das Virtuelle Neuroanatomie-Labor (VNL) in enger Zusammenarbeit mit M. Zöckler vom Arbeitskreis Deuflhard, Berlin verschiedene neuroanatomische Werkzeuge entwickelt, die im folgenden kurz beschrieben werden. Nach Erfassung der Datensätze mit dem Konfokalmikroskop werden diese automatisch in das AMIRA Datenformat konvertiert. In der Datenvorverarbeitung (?preprocessing?) werden die durch die Aufnahme bedingten Skalierungen korrigiert (präparat-spezifischer Brechungsindex). Bei Bedarf kann man die Anzahl der Datenpunkte (?Voxel?) verändern (?resampling?) und die Datensätze auf einen informativen Ausschnitt reduzieren (?cropping?). Die Datensätze werden dann in die selbe Orientierung gebracht (?alignment?). Dies kann entweder manuell oder vollautomatisch mit Hilfe unterschiedlicher Verfahren (z.B. Grauwertkorrelation) geschehen. Alle uns interessierenden Neuropilbereiche werden nun in den Grauwertdatensätzen markiert und erhalten ihren entsprechenden Namen (?segmentation?, ?labelling?). Damit sind die Voraussetzungen geschaffen, die Gehirne zu vergleichen, ihre Variabilität mit Hilfe der Methoden der quantitativen Anatomie (s.u.) zu beschreiben, einen Gehirnmittelwert (Standardgehirn) zu errechnen und Genexpressionsmuster zu integrieren .

Volumen-Visualisierungen, die in Echtzeit verändert werden, ermöglichen exploratives Arbeiten mit den 3D-Datensätzen (?data-mining?) und schaffen so ganz neue Möglichkeiten der Datenanalyse ? eine ?virtuelle Anatomie?: Virtuelle Schnitte können in Echtzeit in beliebiger Orientierung durch die Daten bewegt werden. Ein ?elektronisches Skalpell? macht Teile der Daten völlig durchsichtig (?clipping?) und ?virtuelle Färbungen? heben bestimmte Datenbereiche durch eine Änderung der Farbe und Opazität besonders hervor. Die ?virtuelle Kombination? von Daten verschiedener Individuen eröffnet dem Vergleich und der Analyse ganz neue Möglichkeiten.

Genau wie Menschengehirne sind Fliegengehirne individuell verschieden, d. h. variabel. Um Gehirne überhaupt vergleichen zu können, muß man diese Variabilität quantifizieren. Die Analyse von Volumen, Form- und Positionsunterschieden der Neuropile ist mit ?average intensity maps?, mit ?probabilistic maps? und mit Hilfe von Graphen möglich.



Die Ziele des Antrags wurden weitestgehend erreicht. Das Virtuelle Neuroanatomie-Labor (VNL) für die Drosophila Neurogenetik ist zu einer Realität geworden. Ein entsprechendes Produkt, eine spezialisierte Weiterentwicklung der Visualisierungs-Software AMIRA, wird von der Fa. Indeed ? Visual Concepts GmbH angeboten. Es integriert die Beiträge aller Teilprojekte des Forschungsverbundes 'Standardgehirn (VirtualBrain)' . Das Standardgehirn für Weibchen und Männchen des Wildstammes "CantonS", so wie zum Vergleich des lokalen Wildstammes "Lindelbach" stehen im Internet zur Verfügung . Entsprechende Veröffentlichungen, die Anwendungen des Standardgehirns und der quantitativen Anatomie vorführen (Vergleich der beiden Wildstämme, Geschlechtervergleich, Vergleich mit Mutanten, Darstellung von Genexpressionsmustern), liegen vor.



In der laufenden Förderungsperiode geht es um die Verbreitung des VNLs mit dem Ziel eine allgemeine Datenbank für Genexpressionsmuster einzurichten. Hierzu werden Fallstudien zur Charakterisierung von Genexpressionsmustern durchgeführt. So wird letztlich ein genetischer Gehirnatlas entstehen, der alle molekularen Informationen mit der Anatomie des Gehirns verbindet. Die Veränderung der Expressionsmuster in der Zeit und unter spezifischen Umwelteinflüssen (Lernen, Erfahrung) ist eine weitere Dimension dieser neuen Art von Datenbank.

Schlagworte:
    Drosophila
    Gehirn
    Standardgehirn
    VNLs
    AMIRA

Laufzeit: von 09.2000 bis 08.2003

Förderinstitution:
Landeshaushalt Wissenschaftsministerium ( BMBF ) ,Genehmigungsdatum: 28.07.2000

Vorläuferprojekt:
07030112

Publikationen: