Volumen-EM mit Multibeam Array Tomography
Volumen-EM-Verfahren

Multibeam Array Tomography​

Hoher Durchsatz von großen Mengen ultrastruktureller Daten​

  • Sehr schnelle Aufnahme ultrastruktureller Details
  • Probengrößen, die nicht mit anderen Technologien abgebildet werden können
  • Statistische Merkmale mit bislang unerreichter quantitativer Signifikanz

Volumen-EM mit Multibeam Array Tomography

Bei der Array-Tomografie (AT) werden die Serienschnitte mit dem SEM abgebildet und anschließend digital zu einem 3D‑Datensatz rekonstruiert. Ein Multistrahl-SEM (ZEISS MultiSEM) kombiniert bis zu 91 Elektronenstrahlen und beschleunigt die Bildaufnahme damit erheblich. Die Multibeam- oder Multistrahl-AT kann Volumen von mehr als einem Kubikmillimeter Größe mit einer Auflösung im Nanometerbereich abbilden – ideal für Bereiche wie die Konnektomik. Die Multibeam-AT eignet sich sogar für das Mapping großer neuronaler Netze, beispielsweise eines ganzen Mäusehirns.

Schematische Darstellung eines typischen Workflows

Multibeam Array Tomography – Probenpräparation

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Eine in Harz eingebettete Probe wird in ein Serienschnitt-Array geschnitten (Dicke in der Regel jeweils 30–70 nm) und in der Reihenfolge, in der sie geschnitten wurden, auf einem Probenträger fixiert.

Multibeam Array Tomography – Bildaufnahme

2

Jeder Serienschnitt wird mit dem Multistrahl-Rasterelektronenmikroskop (ZEISS MultiSEM) aufgenommen.

Verarbeitung der Segmentierung

3

Die aufgenommenen EM-Bilder werden verarbeitet und digital zu einem 3D‑Datensatz zusammengeführt. Die Zellkompartimente lassen sich identifizieren und segmentieren.

3D‑Visualisierungsanalyse

4

Der segmentierte 3D‑Datensatz kann visualisiert, untersucht und statistisch analysiert werden.

Anwendungsbeispiele​

Neuronale Verbindungen im Hirngewebe in größerem Maßstab

Statistische Merkmale neuronaler Verbindungen mit bislang unerreichter quantitativer Signifikanz

Das Gehirn ist ein komplexes Organ mit Millionen von neuronalen Verbindungen und Signalwegen. Mit einem besseren Verständnis des Zusammenhangs zwischen Struktur und Funktion des Hirngewebes lässt sich der komplexe Aufbau neuronaler Netze leichter nachvollziehen und (auf lange Sicht) ermitteln, wie bestimmte Pathologien mit medizinischen Interventionen behandelt werden können.​

​Durch die Bildgebung in großem Maßstab und in hoher Auflösung lassen sich diese neuronalen Verbindungen im Gehirn untersuchen. Bei kleinen Gehirnpräparaten ist der Zeitaufwand für die Erfassung eines vollständigen 3D‑Datensatzes zwar erheblich, aber mit der richtigen Technologie noch machbar. ZEISS MultiSEM arbeitet mit mehreren parallelen Elektronenstrahlen und erfasst damit die Bilddaten mit beispielloser Geschwindigkeit. So lässt sich selbst das Gehirn einer Maus vollständig abbilden.​

​Die Bilder unten zeigen dieselben Schnitte eines Mäusehirns, die mit ZEISS MultiSEM 505 mit 61 Elektronenstrahlen aufgenommen wurden, in unterschiedlicher Vergrößerung. Probe mit freundlicher Genehmigung von J. Lichtman, Harvard University, USA.

Zusammengesetztes Mosaik eines Quadratmillimeters, aufgenommen mit 4 nm Pixelgröße in 6,5 Minuten aus einem 30 nm dicken Hirnschnitt, präpariert mit einem kontrastreichen Färbeprotokoll und geschnitten mit einem ATUMtome, einem Ultramikrotom, das die Schnitte auf einer Trägerfolie sammelt.
Zusammengesetztes Mosaik eines Quadratmillimeters, aufgenommen mit 4 nm Pixelgröße in 6,5 Minuten aus einem 30 nm dicken Hirnschnitt, präpariert mit einem kontrastreichen Färbeprotokoll und geschnitten mit einem ATUMtome, einem Ultramikrotom, das die Schnitte auf einer Trägerfolie sammelt.

Zusammengesetztes Mosaik eines Quadratmillimeters, aufgenommen mit 4 nm Pixelgröße in 6,5 Minuten aus einem 30 nm dicken Hirnschnitt, präpariert mit einem kontrastreichen Färbeprotokoll und geschnitten mit einem ATUMtome, einem Ultramikrotom, das die Schnitte auf einer Trägerfolie sammelt.

Einzelne hexagonale Multistrahl-Sehfelder (mFoV), zusammengesetzt anhand eines exemplarischen Satzes von sieben mFoV aus dem vorherigen Datensatz.
Einzelne hexagonale Multistrahl-Sehfelder (mFoV), zusammengesetzt anhand eines exemplarischen Satzes von sieben mFoV aus dem vorherigen Datensatz.

Einzelne hexagonale Multistrahl-Sehfelder (mFoV), zusammengesetzt anhand eines exemplarischen Satzes von sieben mFoV aus dem vorherigen Datensatz.

Einzelne hexagonale Multistrahl-Sehfelder (mFoV), zusammengesetzt anhand eines exemplarischen Satzes von sieben mFoV aus dem vorherigen Datensatz.

Beispiel für ein einzelnes mFoV, bestehend aus 61 einzelnen Bildkacheln, aufgenommen mit 61 parallelen Elektronenstrahlen, die von links nach rechts mehr als 100 µm abdecken, wobei die Aufnahme in der Regel nur wenige Sekunden dauert.
Beispiel für ein einzelnes mFoV, bestehend aus 61 einzelnen Bildkacheln, aufgenommen mit 61 parallelen Elektronenstrahlen, die von links nach rechts mehr als 100 µm abdecken, wobei die Aufnahme in der Regel nur wenige Sekunden dauert.

Beispiel für ein einzelnes mFoV, bestehend aus 61 einzelnen Bildkacheln, aufgenommen mit 61 parallelen Elektronenstrahlen, die von links nach rechts mehr als 100 µm abdecken, wobei die Aufnahme in der Regel nur wenige Sekunden dauert.

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