[Type text] 

 

2013

Erfahrungsbericht zur Bachelor 

Thesis 

Galina Bernhardt 

Studiengang Mechatronik 

Trinational 

www.trinat.net 

Virtualdissectionofbeebrainsbymicro‐computed‐tomography(micro‐CT)

Erfahrungsbericht zur Bachelor Thesis    1 

Introduction  

Bees are both ecologically and economically important insects. Bees pollinate many of the world’s crops 

– a service critical to the human survival. A great body of research indicates a worldwide decline in the 

bee populations. Three main hypotheses are currently proposed for their decline: a) negative effect of 

parasitism, b) degradation of  their ecosystem  and  c)  the  impact of pesticides on bee physiology and 

fitness. 

Recently  published  research  lends  weight  to  the  thesis  that  commonly  used  pesticides  such  as 

neonicotinoids are causing  irreparable damage  to  the bee population. Although,  there  is now general 

acceptance that pesticides adversely affect  the bee population  there  is still no understanding of clear 

mechanism  for their death. This work was  focussed on  furthering the understanding of mechanism of 

the  impact  of  pesticides. Our  research was motivated  by  the  hypothesis  that  beyond  differences  in 

volumes of brain regions it is also possible that there are detrimental effects due to changes in shape of 

the brain regions. 

My work  is  only  a  part  of  a  bigger  project  endowing  inter  alia  behaviour  and  learnability  study  of 

bumblebees.  

Methods and Discussion  

To  be  able  to  analyse  the  bee  brain  regions  without  destruction  we  had  to  use  technics  such  as 

computed tomography (CT). But using non‐destructive imaging technics such as CT, MicroCT or MRI etc. 

may  experience  a  problem  of  automatically  or  semi‐automatically  separating  different  tissues. 

Therefore,  a  solution was  needed  for  better  differentiation. One  of  the  solutions  could  be  staining, 

which needs to be applied on the object before scanning. There are a number of stains generally used 

and accepted by researchers, such as osmium tetroxid or uranyl acetate etc. All of them stain different 

part of a  tissue. Furthermore different  stains penetrate different  tissues at different  speeds, which  is 

very crucial and useful. Therefore before we were able to gather qualitative data for analysis we had to 

developed protocols for staining and better separation of different tissues and after that we could start 

with scanning and analysis. 

Staining  is a  supporting  technique used mainly  in microscopy  to  improve  contrast  in  the microscopic 

images. Stains as well as dyes are often used  in medicine and biology to highlight structures  in objects 

for better  viewing.  Staining  is not  limited  to biological  structures  and  is  also used  in  the  industry  to 

highlight e.g. micro fractures or structure of metals or polymers. But staining in CT or MicroCT is a novel 

technique and need better understanding and investigation.  

In dese work  tree  stains  (uranyl acetat  (UA),  Iodine, phosphotungstic acid  (PTA)), which were already 

used with success by other researchers are investigated. 

   

Erfahrungsbericht zur Bachelor Thesis    2 

The bee body was separated  from  the head. Since our  interest was 

only  in brain, only  this part was  stained  and  scanned.  In order  for 

staining to penetrate the entire brain, front part was cut (Picture 1) 

with scalpel. The scans were carried out almost daily on the Metris X‐

Tek HMX ST 225 CT System.  

 

In the (Picture 2) you can see the author with 

Dr.  Pedroso  Rovira  preparing  the  bee  heads 

for scan in the NHM lab.  

After  scanning  during  several  days  and 

comparison,  it  was  found,  that  UA,  which 

works  great  as  negative  stain  in  electron 

microscopy, did not deliver any results. It was 

also  found  that  Iodine  acted  very  fast. After 

two  days  in  staining,  the  contrast  between 

different  tissues  could  be  seen.  Although 

between days 6 and 7 the shape of the brain 

was crispy,  it started  to be blurry or  foam  like.  It  is assumed,  that  there  is a  limit  till which  the brain 

tissues can absorb Iodine and then start to bleed out creating exactly the effect, which appeared in this 

study. After looking at the PTA it was observed that one of the brains was perfectly stained after day 7 

while  the  other  one was  only  half  stained.  It  seems  like  the  PTA  stain went  all  the way  from  front 

chopped part to half of the brain and then stopped. The well‐stained brain looked very crispy and all the 

shapes could be separated easily.  In addition, a negative effect, such as bleeding out  like  in  Iodine did 

not appear. On the contrary the shape was maintained during next days in the same conditions.  

All  behavioural  and  learnability  test  on  bees were  carried  out  previous  to  this  part  of  the  project. 

Furthermore,  to avoid any bias, until  the  statistical analysis were  carried out  it was a blind  study  i.e. 

student was unaware of which specimen was  treated with  Imidacloprid and which one was  from  the 

control group.  

On account of time limitation for the completion of this project and the ability to capture shape, volume 

and surface with  landmarks we decided to use a combination of VG Studio Max and Drishti. Both are 

programs widely used  in  this  field. The decision  is also based on  careful analyses and  comparison of 

different to that time available programs.  

 

Picture 1: Bee head frontal cut

Picture 2: Preparations in the NHM Lab 

Erfahrungsbericht zur Bachelor Thesis    3 

For capturing shape, volume and surface we placed in total 20 landmarks all over the parts of the brain, 

we expected to differ the most. All 20 (3D) landmarks were imported in to PAST a statistical program for 

analyzing  landmarks, originally aimed at paleontology. But before we could place all the  landmarks we 

had to “clean” the brain or to remove all tissues, which were blocking the view. In Fehler! Verweisquelle 

konnte nicht gefunden werden. you can see the scan in Drishti and after several hours of “cleaning” you 

could place all the  landmarks for the statistics. A bee brain with all the  landmarks and cleaned can be 

seen in Picture 4.  

Benifit of this work and future work  

The main goal of  this ongoing project  is  to use a cross‐disciplinary approach combining expertise  in a 

diverse  range of  fields  to  find  a new,  innovative way  to  investigate  the effect of pesticides on brain 

morphology. We had to test different methodologies to standardize and optimize the results and we are 

preparing scientific publications to provide the community with protocols to perform similar studies on 

bees. In our opinion, with this work we are closer to solve the mystery about the bee disappearance.  

Data analysis are still ongoing and we are excited by the great potential of this project, on one hand to 

change the way to study bee brains and on the other to provide rigorous scientific information for policy 

makers to address the pressing issue of pesticides impacts on essential pollinators. 

Even though we have with our landmarks good information about the size, symmetry and the shape of 

different brain regions, we could still be missing  important  information by choosing wrong or too  less 

landmarks. Additional,  it  seems  like optical  lobes play a key  role  in our analysis and  they need  to be 

investigated further. A Master student took over this work and uses different methods to analyse the 

datasets for further conclusions.  

The  classifications of bees are not updated. The  categorization was made  long  time ago and without 

modern technics. Accordingly,  it  is possible that the classification could be  inaccurate and scientists all 

over the world are working on the classification. Our method could build a basis for such classification. 

Bees could be scanned, segmented and with help of “landmarks” a comparison of numbers of futures 

such as brain, bone etc. in volume and structure can be made in reasonable time as well. 

Picture 3: Scanned and stained bee brain  Picture 4: Cleaned bee brain with landmarks 

Erfahrungsbericht zur Bachelor Thesis    4 

Furthermore, our developed staining protocols are now used in different studies such as scanning of fly 

heads or even human eye.  

Additional Information  

The members of the team are: Dr. Farah Ahmed, Dr. Richard Gill and Dr. Inti Pedroso Rovira, Dr. Richard 

Abel and Galina Bernhardt.  

The project team was very diverse – two British, one Argentinian and one with Pakistani background and 

a German – with different cultural, religious, work style. There was potential for misunderstandings. But 

studying for several years in a multicultural class (Germans, French and Swiss) you are more sensible for 

such misunderstandings and know how to react.  

Additionally, the analysis work was done in Imperial College with research performed in Natural History 

Museum  –  this  can  be  challenging  both  from  logistical  standpoint  and  supervisory  (who might  have 

different viewpoints on the problems). Being part of this so called matrix‐organization (being student of 

FHNW and spending time in other universities) student is used to this kind of situations and needs being 

able to adapt to the situation easier and gather all relevant information from different parties. 

Despite  all  the  challenges  I was  faced  in  this  project  I would  do  the  project  again.  And winning  an 

Innovation price 2012 from the Swiss engineering society is a nice recognition for all my efforts.  

Formation of this work  

I already worked in Stage II and III with Dr. Richard Abel, who was also my supervisor in this work. Both 

of us know what we can expect from each other and we work great together. Before the thesis  it was 

clear that my work would  involve MicroCT and maybe medicine (Hyman body) or animals. As Dr. Abel 

approach me with the bee project, it made me very curios and I agreed with excitement to be a part of 

this project.  

Relations with course of „Mechatronik Trinational“  

You would be surprise how much  information I could used or transform from the coursework. E.g. this 

work  involved  managing  projects  with  more  than  two  parties.  Issues  such  as  time  management, 

effective communication and managing logistics when each member  is not present locally were critical 

for the success of the project. Skills obtain in management as well as cultural management obtained in 

lectures such as Intercultural management, Prozessmanagement, Unternehmensführung und Controlling 

and other management subjects proved to be very valuable for this project. 

In subjects such as medical technics (Medizinaltechnologie) I obtained general information about CT and 

image  processing  and  editing.  In  particular  the  practical  experience was  gained  on  systems  such  as 

Metris X‐Tek HMX ST 225 CT Systems. During previous practical parts of the course, I studied noise in the 

CT  data  described  in  Stage  II  and  applications  of  image  processing  and  editing.  Mathematical 

background  such  as Méthodes Numérique, Differntialgleichungen  or Métrologie,  Informationssysteme 

gave good insight into how CT data is reconstructed. Medical technics and Transformationen were very 

Erfahrungsbericht zur Bachelor Thesis    5 

useful to understand the impact of digital filters or smoothing filters on the data. CAD, Konstruktion and 

Fertigungstechnik  or  Photo  Shop  classes  and  practical  experience  Stage  II  and  Stage  III  gained  from 

previous internships were very useful to understand and getting used to process 3 D digital data, which 

was big part of this project. Understanding of manipulation of the data was possible with Statistics as 

well  as  skills  obtained  during  Semester  project.  Also  skills  to  manage  projects  independently  was 

practiced during  the  last  semester group project, where a group of  two  to  three  student worked on 

projects with as little involvement from supervisors as possible. 

Recommendations  

Don’t hesitate to choose a project in a field, which you think has less to do with mechatronics e.g. study 

bees.  You would be  surprise how much of  the  lecture work  you  can  apply.  In my opinion,  the most 

important point  is to choose a topic in which you have a personal  interest and where you can develop 

yourself and grow.  It will be very helpful constantly to motivate yourself through the progress, as you 

have to spend 3 to 6 months on the same topic.  

Secondly try to find a supervisor as well from university as from industry/company with whom you can 

work together. By this I mean, who will support you with suggestions and have always an ear for your 

problems during the project and eager to motivate. It doesn’t necessary need to be someone from the 

same  field.  It  is more about a mentor position, someone who can guide you. For  the expertise or an 

opinion you can always ask/contact an expert or get the information by reading a book or publication.  

And last, do not hesitate to contact experts, you will be surprise how willingly they share there expertise 

with a curios student, at least I did those experiences.  

My future professional path  

My future goal is to be a patent attorney. I plan to start with LLM (Master) program in Technology and 

Intellectual Property Law from University of Liverpool this winter.  

 

Datum der Erstellung des Erfahrungsberichtes: August 2013 

© Fachhochschule Nordwestschweiz, Studiengang Mechatronik Trinational, 2013 

www.trinat.net