Analysis and visualization in multidimensional microscopy [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Kolja Alexander Wawrowsky

Kolja Wawrowsky

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• Naturwissenschaften

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• Publié par: julius-maximilians-universitat_wurzburg
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 26
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 36 Mo

Extrait

Analysis and Visualization in Multidimensional Microscopy




Dissertation zur Erlangung des
naturwissenschaftlichen Doktorgrades
der Bayerischen Julius-Maximilians-Universität Würzburg






vorgelegt von
Kolja Alexander Wawrowsky
geboren in Düsseldorf
Würzburg, 2007
i







Eingereicht am: .......................................................................................................................

Mitglieder der Promotionskommission:
Vorsitzender: ..........................................................................................................................
Gutachter : Dr. habil. Rainer Wolf
Gutachter: Prof. Dr. Dieter Weiss, Universität Rostock

Tag des Promotionskolloquiums: ...........................................................................................

Doktorurkunde ausgehändigt am: .............................................................................

ii Zusammenfassung
Die biologische Forschung befindet sich in einem Paradigmenwandel, in dem
Endeckungen immer mehr von Computeranalyse ermöglicht werden.
Entdeckungen in der biologischen Forschung wurden historisch gesehen durch direkte
Beobachtung and mit Hilfe chemischer Analysemethoden gemacht. Heute sehen wir einen
wachsenden Trend zur computerunterstützten Analyse und Visualisierung. Dieser
graduelle Umschwung spielt sich auch in der Mikroskopie ab. Multidimensionale Laser
Scanning Mikroskopie kann sehr komplexe Multikanalbilder von fixierten oder lebenden
Präparaten aufnehmen. Neue Methoden (wie z.B. fluoreszierende Proteine) erlauben es,
Genexpression und Proteinlokalisierung direkt sichtbar zu machen. Ionensensitive
Farbstoffe ändern ihre Helligkeit mit der Konzentration der Ionen in der Zelle. Die
konfokale Mikroskopie erlaubt es, diese Änderungen dreidimensional über die Zeit
aufzunehmen.
Die hier vorgestellte Arbeit demonstriert die Anwendung speziell entwickelter Software für
die Analyse multidimensionaler Daten. Die hierbei entwickelten Methoden wurden für
Volumendarstellung, Ionenfluxanalyse und zur molekularen Modellierung eingesetzt.
Die Visualisierungsmethoden basieren auf einem multidimensionalen Datenmodel, um
auch komplexe Daten verarbeiten zu können. Die Software benutzt Vektorverarbeitung
und Multiprozessorunterstützung um Volumendarstellung schneller und interaktiv zu
machen. Die Algorithmen beruhen auf Erkenntnissen der Wahrnehmungsforschung und
erlauben es dem Anwender, eine Reihe von verschiedenen Darstellungsmodi zu
kombinieren. Die Software wurde erstmals verwendet, um einerseits die Entwicklung der
Hypophyse im Zebrafisch zu rekonstruieren, und andererseits die Degenerierung von
Neuronen im Mausmodell bildlich zu verfolgen.
Kalziumfarbstoffe wurden schon länger zum Studium von Kalziumoszillationen in Zellen
eingesetzt. Wir optimierten die Bildaufnahmemethode um Schädigungen der Zelle zu
minimieren. Zellen wurden kontinuierlich in 45 Minuten Zeitintervallen aufgenommen
und dabei wachsenden Dosen der zu untersuchenden Substanz ausgesetzt. Durch
Korrelation von Dosis und Oszillationsamplitude konnten pharmakologische
Wirkungskurven für jede einzelne Zelle ermittelt werden. Diese Methode hat wegen der
hohen Sensitivität und Auflösung bis zur einzelnen Zelle Potential für pharmakologische
Untersuchungen.
Mikrotubuli formen ein dynamisches Zytoskelett, das für Zellform und intrazellularen
Transport zuständig ist und eine integrale Rolle bei der Mitose spielt. Eine besondere
Eigenschaft der Mikrotubuli ist die laterale Interaktion. Mikrotubuli werden von
Motorproteinen zu dichten Strukturen gebündelt. Um den möglichen Einfluß dieses
Vorgangs auf die Organisation der Mikotubuli zu testen, wurde ein fraktales Model erstellt.
Dieses Modell demonstriert, daß die komplexe Organisation der Mikrotubuli in einigen
Fällen allein mit dem Bündelungsprozess erklärt werden kann.
ii i Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit demonstriert werden, daß der Einsatz speziell
entwickelter Software für Visualisierung, Datenanalyse und Modellierung zu neuen
wissenschaftlichen Erkenntnissen führen kann.
iv Summary
The live sciences currently undergo a paradigm shift to computer aided discoveries.
Discoveries in the live sciences were historically made by either direct observation or as a
result of chemical assays. Today we see a growing shift toward computer aided analysis
and visualization. This gradual process happens in microscopy. Multidimensional laser
scanning microscopy can acquire very complex multichannel data from fixed or live
specimen. New probes such as visible fluorescent proteins let us observe the expression of
genes and track protein localization. Ion sensitive dyes change intensity with the
concentration of ions in the cell. The laser scanning confocal allows us to record these
processes in three dimensions over time.
This work demonstrates the application of software analysis to multidimensional
microscopy data. We introduce methods for volume investigation, ion flux analysis and
molecular modeling.
The visualization methods are based on a multidimensional data model to accommodate
complex datasets. The software uses vector processing and multiple processors to
accelerate volume rendering and achieve interactive rendering. The algorithms are based
on human visual perception and allow the observer a wide range of mixed render modes.
The software was used to reconstruct the pituitary development in zebrafish and observe
the degeneration of neurons after injury in a mouse model.
Calicum indicator dyes have long been used to study calcium fluxes. We optimized the
imaging method to minimize impact on the cell. Live cells were imaged continuously for
45 minutes and subjected to increasing does of a drug. We correlated the amplitude of
calcium oscillations to increasing doses of a drug and obtain single cell dose response
curves. Because this method is very sensitive and measures single cell responses it has
potential in drug discovery and characterization.
Microtubules form a dynamic cytoskeleton, which is responsible for cell shape,
intracellular transport and has an integral role in mitosis. A hallmark of microtubule
organization is lateral interactions. Microtubules are bundles by proteins into dense
structures. To estimate the contribution of this bundling process, we created a fractal
model of microtubule organization. This model demonstrates that morphology of complex
microtubule arrays can be explained by bundling alone.
In summary we showed that advances in software for visualization, data analysis and
modeling lead to new discoveries.
v Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung iii
Summary v
Inhaltsverzeichnis vi
Introduction 1
Outline of this thesis .....................................................................................................2
Goals.............................................................................................................................2
Volume Investigation 4
Volume Rendering.........................................................................................................4
Volume Rendering Pipeline........................................................................................5
Direct Volume Rendering Methods.............................................................................6
Average Intensity Projection .......................................................................................7
Maximum Intensity Projection (MIP)...........................................................................7
Transparency and Opacity (Alpha) Rendering.............................................................8
Simulated Fluorescent Process....................................................................................8
Surface Rendering .........................................................................................................9
Isosurface...................................................................................................................9
Perception of Spatial Depth...........................................................................................9
Volume Visualization Software....................................................................................10
Single Purpose Visualization Applications ................................................................11
Programmable Volume Rendering Application .........................................................12
Visualization Frameworks and Libraries....................................................................12
Multimodal Microscopy ..............................................................................................13
Imaging Modalities in Light Microscopy ...................................................................13
Bright field Microscopy ............................................................................................13
Phase Contrast..................................