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. / 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. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit demonstriert werden, daß der Einsatz speziell entwickelter Software für Visualisierung, Datenanalyse und Modellierung zu neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen führen kann.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:2042 |
| Date | January 2007 |
| Creators | Wawrowsky, Kolja Alexander |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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