Die Alzheimer-Krankheit ist eine degenerative Hirnerkrankung mit progredienter Hirnatrophie (bis zu zehn Prozent) unter Bildung bestimmter pathologischer Veränderungen im Gehirn. Tau bildet im Gehirn von Alzheimer-Patienten fibrilläre Aggregate („neurofibrillary tangles“, NFTs) in Neuronen und krankheitstypische Tauformen („paired helical filaments“, PHFs) im Gehirn. Dies führt zu einer Fehlfunktion der Mikrotubuli, was wahrscheinlich zum Zelltod der Neurone in Tauopathien wie bei Alzheimer führt. Um mehr über die Hintergründe zu erfahren, die den Gewebsverlust verursachen, wurde der Neokortex
(NC) von tau-transgenen Mäusen, so wie der von nicht-transgenen Kontrolltieren morphometrisch analysiert. Dabei wurden Mäuse verwendet, die transgen für Wildtyp-Tau oder für eine pseudohyperphosphorylierte Variante von Tau (PHP-Tau) waren. Hierbei wurden sowohl die Dichte als auch die Größe
der Neurone im NC bestimmt. Für die Analyse wurden Hirnschnitte in 50 μm Dicke angefertigt, in denen die Nervenzellkörper durch NeuN Immunfärbung deutlich sichtbar sind. Nach Erstellen von Bildern des gewünschten Analysebereiches mit einem konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop wurde die Bildserie mit der Software
ImageJ bearbeitet. Da die Bestimmung der Neuronenanzahl sowie der Neuronendichte von jedem einzelnen Bild erfolgen muss, war diese Art der Analyse sehr zeitaufwendig. Ziel der Arbeit war es, die morphometrische Analyse zu automatisieren und eine neue Analysemethode zu etablieren. Dies wurde erreicht, in dem zwei Plugins geschrieben wurden, die es ermöglichen einen Arbeitsschritt auch an einer Bildserie anwenden zu können. Die Automatisierung gewährleistet so eine schnelle und fehlerfreie Analyse, da Bearbeitungsfehler auf ein Minimum reduziert werden. Dadurch wird eine effiziente und
standardisierte Bearbeitung des gesamten Datensatzes möglich.
Da es Untersuchungen gibt, die die Veränderung im Gehirn in Zusammenhang mit der Region feststellten,wurden die verschiedenen Faktoren nur innerhalb der gleichen Region untersucht. Die Untersuchung
der ausgezählten Polygone ergab altersunabhängig keine geschlechtsspezifische Auswirkung auf die Neuronengröße, oder -dichte in den verschiedenen Regionen. Eindeutigen Unterschiede konnten jedoch in der Neuronendichte der Regionen (Region 3 hat eine höhere Dichte als Region 1 und 2) bei
C57 undWildtyp-Tau Mäusen festgestellt werden. PHP-Tau Mäuse folgen diesem Trend nicht, PHP-Tau scheint aber einen anderen Effekt auf den Kortex zu haben.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1. Alzheimerkrankheit
1.2. Tau
1.2.1. PHP-Tau
1.3. Transgene Mäuse
1.4. Hintergrund der Arbeit
1.5. Ziel der Arbeit
2. Material und Methoden, Datenaufbereitung
2.1. Material
2.1.1. Chemikalien
2.1.2. Puffer und Stammlösungen
2.1.3. (Transgene) Mäuse
2.1.4. Konfokales Laserscanning-Mikroskop
2.1.5. Software
2.2. Methoden
2.2.1. Präparation der Mausgehirne
2.2.2. Koronarschnitte
2.2.3. Immunfärbung von Schnitten
2.2.4. Konfokale Laserscanning-Mikroskopie
2.3. Datenaufbereitung
2.3.1. Bildanalyse
2.3.2. Umwandlung in TIFF mit EZ-Limo
2.3.3. Bearbeitung mit ImageJ
2.3.4. Statistische Auswertung mit R
3. Ergebnisse
3.1. ImageJ - Plugins (NeuN1 & NeuN2)
3.1.1. Manuelle Bildbearbeitung
3.1.2. Grundlage für das Plugin
3.1.3. Probleme
3.2. Entwicklung von NeuN1 und NeuN2
3.2.1. Handhabung Plugin
3.2.2. Fazit
3.3. Statistische Auswertung mit R - Ergebnis
3.3.1. Extraktion der Daten
3.3.2. Ergebnisdateien
3.3.3. Höhere Neuronendichte in Region 3 als in Region 1 und 2 in Linie C57 und 4WT1
3.3.4. Neuronendichte und durchschnittliche Größe der Neurone sind vom Geschlecht unabhängig
3.3.5. Mit steigendem Alter steigt die Neuronendichte und sinkt die Größe der Neurone
4. Diskussion
5. Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Automatisierung der morphometrischen Analyse des Neokortex von tau-transgenen Mäusen, um den zeitaufwendigen manuellen Prozess der Neuronenbestimmung effizienter und standardisierter zu gestalten. Die Forschungsfrage untersucht dabei, ob sich durch eine neue Analysemethode zuverlässige Aussagen über Veränderungen der Neuronendichte und Neuronengröße in Abhängigkeit von Alter, Geschlecht und Genetik (Tau-Varianten) treffen lassen.
- Automatisierung der morphometrischen Analyse mittels ImageJ-Plugins
- Vergleich der Neuronendichte und -größe bei Wildtyp- und PHP-Tau-transgenen Mäusen
- Untersuchung altersspezifischer Auswirkungen auf das Gehirngewebe
- Evaluierung von regionsspezifischen Unterschieden innerhalb des Neokortex
Auszug aus dem Buch
1. Einleitung
Das menschliche Gehirn ist einzigartig und ohne Zweifel das komplizierteste Organ, das die Evolution je hervorgebracht hat. Unser Gehirn verleiht uns unser eigentliches Menschsein. Ähnlich wie ein Computer fungiert unser Gehirn als persönliche Schaltzentrale all unserer lebenswichtigen Funktionen, ist aber im Gegensatz zu diesem weitaus komplexer im Aufbau und in der Möglichkeit seiner Funktionen. Unser Gehirn ist das Zentrum unserer Intelligenz, unseres Bewusstseins, steuert fast unbemerkt alle körperlichen Prozesse, die uns das Leben ermöglichen. Unsere Persönlichkeit, unser Handeln – sei es willkürlich oder unbewusst – alles was uns zum Menschen macht und uns als Mensch ausmacht wird vom Gehirn gesteuert.
Die Koordination unserer körperlichen und geistigen Fähigkeiten erfolgt im Gehirn über Nervenzellen (Neurone). Man schätzt, dass allein das menschliche Gehirn aus ca. 10^11 Neuronen besteht. Diese unvorstellbar große Zahl ist vergleichbar mit der Anzahl der Sterne in unserer Milchstraße. Das Neuron hat denselben Grundbauplan wie andere Zellen, unterscheidet sich jedoch durch drei Besonderheiten: 1. in seiner Form fallen die langen Fortsätze auf; 2. die Zellmembran ist spezialisiert Signale zu erzeugen und zu leiten; 3. an seinen Endigungen produziert es spezifische Substanzen (Transmitter) und gibt diese ab (chemische Synapse).
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Dieses Kapitel erläutert die anatomischen Grundlagen des Gehirns, die klinische Bedeutung der Alzheimer-Krankheit sowie die Relevanz des Proteins Tau und der verwendeten transgenen Mausmodelle für die Forschung.
2. Material und Methoden, Datenaufbereitung: Hier werden die verwendeten Chemikalien, das tierschutzkonforme Vorgehen bei der Präparation, das mikroskopische Setup sowie die softwaregestützten Schritte der Bildaufbereitung detailliert beschrieben.
3. Ergebnisse: Dieses Kapitel präsentiert die Entwicklung der automatisierten ImageJ-Plugins (NeuN1 & NeuN2) und wertet die morphometrischen Daten hinsichtlich der Neuronendichte und Neuronengröße unter verschiedenen biologischen Faktoren statistisch aus.
4. Diskussion: Die Ergebnisse werden interpretiert und in den Kontext bestehender Literatur gesetzt, wobei insbesondere die altersspezifischen Veränderungen im Neokortex und die Eignung der neuen Methode beleuchtet werden.
5. Zusammenfassung und Ausblick: Eine abschließende Betrachtung der erstellten Analysesoftware sowie Vorschläge für zukünftige Optimierungen und weiterführende Studien zur Neurodegeneration.
Schlüsselwörter
Alzheimer-Krankheit, Tau-Protein, Neokortex, Morphometrie, ImageJ, Automatisierung, Neuronendichte, Neuronengröße, Transgene Mäuse, Neurodegeneration, Bildanalyse, PHP-Tau, Wildtyp-Tau, Konfokalmikroskopie, Statistik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es grundsätzlich in dieser Arbeit?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Automatisierung der morphometrischen Analyse des Neokortex bei Mäusen, um Prozesse der Neurodegeneration besser untersuchen zu können.
Was sind die zentralen Themenfelder der Bachelorarbeit?
Die Schwerpunkte liegen auf der Bildverarbeitung für mikroskopische Daten, der Untersuchung der Alzheimer-Pathologie in transgenen Mausmodellen und der statistischen Auswertung neuronaler Parameter.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist die Entwicklung und Etablierung eines standardisierten, zeitsparenden Computerprogramms (Plugins für ImageJ), das eine fehlerfreie morphometrische Analyse der Gehirnschnitte ermöglicht.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Es kommen Verfahren der Immunfärbung, konfokale Laserscanning-Mikroskopie, digitale Bildbearbeitung mit eigens entwickelten Algorithmen sowie statistische Auswertungen mit der Software R zum Einsatz.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil beschreibt den gesamten Workflow von der Präparation der Mäuse über die mikroskopische Aufnahme und die Filterung der Bilder bis hin zur statistischen Interpretation der Daten.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit am besten?
Die Arbeit lässt sich am besten durch Begriffe wie Alzheimer-Forschung, Automatisierung, Bildanalyse, Neokortex und Neuronendichte definieren.
Warum war die Automatisierung für die Analyse notwendig?
Die manuelle Bestimmung von Neuronenanzahl und -dichte ist extrem zeitaufwendig und anfällig für menschliche Fehler; die Plugins reduzieren diesen Aufwand signifikant und erhöhen die Standardisierung.
Welche Schlussfolgerung zieht die Autorin zu PHP-Tau?
Die Autorin stellt fest, dass PHP-Tau keinen einheitlichen Trend in der Neuronendichte zeigt, was auf einen spezifischen, von normalem Tau abweichenden Effekt auf den Kortex hindeutet.
- Quote paper
- Bachelor of Science Miriam Kreyenborg (Author), 2008, Automatisierung der morphometrischen Analyse des Neokortex von Tau-transgenen Mäusen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/112455
