Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Трехмерная реконструкция мозга моллюска Lymnaea stagnalis

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Яковлев, Юрий Юрьевич

Введение Проблема изучения строения объектов по серийным гистологическим срезам б

2. Назначение метода трехмерной реконструкции по серийным срезам

3. Другие методы предполагающие создание трехмерных моделей изучаемых 6 структур

Обзор литературы

1. Краткое описание развития метода трехмерной реконструкции по серийным 8 срезам

2. Общая схема операций в процессе трехмерной реконструкции по серийным 12 гистологическим срезам

3. Приготовление серий срезов

3.1 Проблема искажения срезов 12 3.1.] Искажения срезов во время фиксации и проводки

3.1.2 Искажения срезов во время микротомирования

3.1.3 Другие источники искажений

3.2 Проблема восстановления правильной ориентации срезов относительно друг 13 друга и коррекции искажений

3.2.1 Внесение реперных маркеров

3.2.1.1 Совмещение срезов по «внутренним» маркерам,

3.2.1.2 Внесение внешних реперных маркеров

3.2.2 Виды вносимых внешних реперов

3.2.2.1 Поверхностные реперы

3.2.2.2 Заключенные в блок реперные маркеры

3.2.3 Выравнивание изображений серии срезов по изображению этих же структур на 18 блоке непосредственно перед микротомированием

3.2.4 Проблема эффективности внесения репеных маркеров

4. Обработка изображений срезов

4.1 Сборка панорамного изображения среза из ряда фрагментов

4.2 Улучшение качества изображения

4.3 Выравнивание изображений серии срезов относительно друг друга и коррекция 20 искажений срезов

4.3.1 Интерактивное совмещение изображений под визуальным контролем

4.3.2 Полуавтоматическое выравнивание путем совмещения центров и осей х,у 22 изображений серии срезов, вычисленных по маркерам

4.3.3 Полуавтоматическое выравнивание путем минимизации сумм дистанций 22 между указанными пользователем точками на соседних изображениях

4.3.4 Автоматическое выравнивание соседних изображений без опоры на реперные 23 точки

5. Выделение реконструируемых структур на изображении среза

6. Калибровка

7. Представление информации для построения трехмерной модели

8. Стратегии построения трехмерной модели в программах для трехмерной 28 реконструкции

8.1 «Вексельная» стратегия

8.2 Векторная стратегия

8.3 Построение модели реконструируемого по серии срезов объекта с помощью 33 неявно заданных поверхностей.

9. Частичная схематизация трехмерной модели

10. Способы получения количественных данных в процессе трехмерной 34 реконструкции

11. Экспериментальный объект - нервная система Ьутпаеа з1а£паНз

11.1 Состав нервной системы

11.2 Строение ганглиев

11.3 Нервная система Ьитгпаеа stagnalis, как экспериментальный объект

Введение Диссертация по биологии, на тему "Трехмерная реконструкция мозга моллюска Lymnaea stagnalis"

1. Проблема изучения строения объектов по серийным гистологическим срезам

В морфологии наблюдения являются первым и наиболее важным шагом в исследовании. Изобретение светового и электронного микроскопов вызывало целые эпохи в анатомии и других дисциплинах. Эти методы позволили нам понять структуру тканей и клеток, однако, метод приготовления срезов сам по себе ограничивает понимание трехмерной структуры, поскольку данные, получаемые по срезам, являются двумерными. Без изучения трехмерного строения изучаемого объекта невозможно сделать полноценное его описание и, зачастую, сделать выводы о его функциональном значении.

Проблема трехмерной реконструкции по серии срезов на сегодняшний день связана с разработкой технологии этого процесса, подбором средств, с помощью которых можно создавать модели изучаемых объектов с наименьшим количеством артефактов, минимальными трудозатратами и на доступном оборудовании.

2. Назначение метода трехмерной реконструкции по серийным срезам

Метод трехмерной реконструкции по серийным срезам является мощным аналитическим инструментом для световой микроскопии и электронной микроскопии ультратонких срезов.

Метод направлен на изучение по серийным срезам, полученных путем микротомирования, формы и пространственного распределения тканевых, клеточных и субклеточных структур. Метод позволяет повысить понимание взаимоотношений между реконструируемыми компонентами и их функциональное значение. Процесс реконструкции включает анализ серии срезов и создание на его основе трехмерной модели изучаемых структур. Процесс реконструкции, как правило, сопровождается получением количественных данных об изучаемых объектах (их количество в данном объеме, объем и площадь поверхности каждого компонента реконструируемого объекта, так же расстояния между компонентами и т.д).

3. Другие методы предполагающие создание трехмерных моделей изучаемых структур

Трехмерные модели изучаемых объектов по серийным изображениям создаются так же в процессе исследований с помощью конфокальной лазерной микроскопии (СЬЭМ), компьютерной томографии (СТ), магнитно-резонансного сканирования (МЫ), электронной томографии. Данные методы имеют много общих черт с компьютерной реконструкцией по серийным гистологическим срезам на стадии компьютерной обработки изображения и создания трехмерной модели. Но есть ряд принципиальных отличий:

1. В отличие от конфокальной лазерной микроскопии, обычная световая микроскопия позволяет видеть изучаемый объект на срезе одновременно со всем разнообразием окружающих его структур [110]. Нет так же принципиальных ограничений на размер изучаемого образца [93].

2. В томографических методах, на изображении "среза" границы реконструируемых структур зависят от проницаемости сканируемых структур для данного типа излучения. На гистологических срезах, граница изучаемого объекта определяется скорее формой составляющих его клеток или других структурных компонентов, которые могут рассеивать используемый в томографах тип волн одинаково [55]. Это обусловливает применение трудоемкого ручного оконтуривания границ объектов, но для исследования мягких тканей детализация томограммы может быть недостаточной [55, 53].

3. Серийные гистологические срезы испытывают искажения в процессе проводки, заключения и микротомирования образца. Кроме того, срезы утрачивают правильную ориентацию относительно друг друга. Этим обусловлены специфические для реконструкции по серийным срезам процедуры маркирования, выравнивания изображений срезов относительно друг друга и компенсации искажений срезов. н= * н=

В данной работе были поставлены следующие задачи:

1. Анализ существующего программного обеспечения для трехмерной компьютерной реконструкции по серийным гистологическим срезам.

2. Анализ подходов к трехмерной реконструкции по серийным срезам, изложенных в литературе, но не реализованных в виде доступных программ.

3. Изучение возможности трехмерной реконструкции по серийным срезам с использованием коммерческих графических редакторов общего назначения.

4. Разработка технологии трехмерной реконструкции по серийным срезам с использованием универсальных графических редакторов.

5. Анализ возможностей разработанной технологии в процессе изучения морфологии нервной системы моллюска Ьутпаеа stagnalis.

6. Поиск новых перспективных подходов к трехмерной реконструкции по серийным срезам и анализ возможных путей развития программ для изучения строения биологических объектов по серийным гистологическим срезам.

Обзор литературы

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Яковлев, Юрий Юрьевич

Выводы

1. Разработана методика внесения реперных маркеров в серийные гистологические срезы для компьютерной трехмерной реконструкции.

2. Разработана методика применения пакета программ Corel DRAW для выравнивания изображений гистологических срезов относительно друг друга, компенсации линейных искажений срезов возникших в процессе их приготовления, повышения качества изображений срезов, а так же восстановления изображений поврежденных срезов.

3. Разработана методика применения программного пакета 3D Studio МАХ для трехмерной компьютерной реконструкции по серийным гистологическим срезам.

4. Проведены исследования морфологии нервной системы моллюска Lymnaea stagnalis с помощью разработанных методик и доказана эффективность их применения.

5. Разработана программа для трехмерной реконструкции по серийным срезам, моделирование изучаемых структур в которой основывается на использовании неявно заданных поверхностей. Изучение морфологии нервной системы с помощью разработанной программы доказало применимость и эффективность применения этого инструмента в реконструкции по серийным срезам.

6. Разработанные методики позволяют использовать графические редакторы общего назначения Corel DRAW и 3D Studio МАХ в качестве мощного исследовательского инструмента для изучения микроскопического строения клеток тканей и органов. А так же как средство подготовки объемных моделей для мультимедийных энциклопедий и учебных пособий по различным областям биологии и медицины.

Список работ по теме

1. Budantsev A.Yu., Yakovlev Y.Y. 3D reconstruction of biological objects: The potential of standard computer programs, Microscopy and Analysis 2000, Issue 67, 11-13,

Заключение

Метод компьютерной реконструкции по серийным гистологическим срезам имеет уже тридцатилетнюю историю развития. Бесспорной является эффективность данного метода в изучении микроскопического строения клеток и тканей, изучении пространственного распределения их компонентов и как метода количественной оценки, установлении функционального значения изучаемых структур, и эффективность трехмерных моделей как учебных пособий при обучении биологическим и медицинским специальностям. Однако применение компьютерной реконструкции по-прежнему остается ограниченным. Во многом причиной такого положения является недостаточная эффективность и доступность программных средств для выполнения трехмерной реконструкции. Но развитие метода трехмерной реконструкции по серийным срезам является биологической задачей. Хотя метод трехмерной реконструкции по серийным срезам на сегодняшний день прочно связан с компьютерной графикой и требует участия в разработке программ математиков, задачи программисту и математику должен ставить гистолог и морфолог. И только непосредственная проверка программных средств в работе на разнообразных биологических объектах может дать ответ на вопрос об эффективности программ. Никакие абстрактные модели не способны заменить работу с реальными гистологическими срезами. Безусловно, развитие метода компьютерной реконструкции по серийным срезам требует появления особого класса специалистов, работающих на стыке гистологии и компьютерной графики, но только работы на стыке этих двух дисциплин могут сделать компьютер действительно мощным инструментом в руках ученого исследующего микроскопическое строение клеток, тканей и органов.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Яковлев, Юрий Юрьевич, Пущино

1. Автандилов Г.Г. Компьютерная микротелефотометрия в диагностической гисто-цито патологии. М.:РМАПО,1996

2. Аракелов Г. Г., Соколов К. Н., Бродский В. Я. Объемная реконструкция распределения РНК в гигантском нейроне большого прудовика // Цитология. 1967. Том IX, №11

3. Аракелов Г.Г. Гигантские полифункциональные нейроны в организации движений // Тезисы Всесоюзной конференции "Простые нервные системы и их значение для теории и практики" Казань 1985 г.

4. Аракелов Г.Г., Маракуева И.В., Палихова Т.А. Сравнительно морфологический анализ фнкционально различных нейронов моллюсков // Материалы П всесоюзной конференлии "Простые нервные системы и их значение для теории и практики". Казань, - Л.: Наука, 1988.

5. Аракелов Г.Г., Маракуева И.В., Палихова Т.А. Сравнительно-морфологический анализ функционально-различных нейронов моллюсков // Материалы II всесоюзной конференлии "Простые нервные системы и их значение для теории и практики". Казань, Л.: Наука, 1988.

6. Беклимишев В.Н. Основы сравнительной анатомии беспозвоночных. Т.2, Органология, М.: Наука,1968.

7. Белл Д. 3D Studio МАХ 2,5 Спецэффекты и дизайн. : Пер. с англ.- М.: Диалнктика, 1998.-464с.

8. Бочарова Л. С. Идентификация гигантских нейронов в центральной нервной системе брюхоногих моллюсков / В сб.: Приборы и методы для микроэлектродного исследования клеток. Пущино, 1975.

9. Буданцев А.Ю.Телевизионно-компьютерная микроскопия // Журнал 625, 1998, № 8, 40-49.

10. Гелетюк В. И, Вепринцев Б. Н. Электрические свойства нейронов моллюска Lym-naea stagnalis в условиях культуры ткани // Цитология. 1972. №9. с. 1183-1189

11. Зайцева О.В. Принципы структурной организации хемосенсорных систем пресноводных брюхоногих моллюсков // Морфология. 1998. №5 с.7-18.

12. Зубарев A.B. Трехмерная и эхоконтрастная ангиография // Мед. Визуализация. 1997. №4 с.3-8,

13. Иванов В.П., Батраков A.C. Трехмерная компьютерная графика / Под ред. Г.М. Полищука. — М.: Радио и связь, 1995.

14. Костенко М. А. Выделение одиночных клеток мозга моллюска Lymnaea stagnalis15