MorphoNet為探索生物成像數(shù)據(jù)革命提供了一種互動(dòng)的方式

在過(guò)去的20年里，由于成像技術(shù)的進(jìn)步，形態(tài)學(xué)的研究——對(duì)生物組織的形狀和結(jié)構(gòu)的研究——取得了爆炸性的進(jìn)展。研究人員已經(jīng)生成了大量的視覺(jué)數(shù)據(jù)，例如使用CT掃描來(lái)成像大腦，低溫電子顯微鏡以接近原子的分辨率來(lái)可視化病毒和蛋白質(zhì)，以及光板顯微鏡來(lái)成像內(nèi)部器官、胚胎和各種生物體。

在一項(xiàng)新的報(bào)告中,伯克利大學(xué)的一組研究人員從蒙彼利埃里昂,我和III在法國(guó)圖盧茲合作創(chuàng)建MorphoNet.org,一個(gè)開源,公開的、互動(dòng)的、通用的形態(tài)動(dòng)力學(xué)web瀏覽器幫助研究人員,教師,和學(xué)生分享,分析和可視化新形態(tài)的豐富數(shù)據(jù)。

開發(fā)MorphoNet的部分動(dòng)機(jī)源于研究人員自己的工作。法國(guó)蒙佩利埃大學(xué)的Emmanuel Faure和他的團(tuán)隊(duì)一直在研究海鞘(海鞘)以及它們的胚胎在胚胎發(fā)生過(guò)程中是如何發(fā)育的。為了更好地理解生物的表現(xiàn)型和基因型之間的聯(lián)系，研究人員想把它們的形狀進(jìn)化與基因表達(dá)模式的動(dòng)態(tài)聯(lián)系起來(lái)。利用光鏡技術(shù)，研究人員構(gòu)建了若干發(fā)育中的胚胎的4-D (3-D+t)數(shù)據(jù)集，現(xiàn)在他們可以使用MorphoNet來(lái)進(jìn)一步探索基因到形狀的反饋，使用到ascii基因數(shù)據(jù)庫(kù)的鏈接。

MorphoNet有可能得到更廣泛的應(yīng)用，與目前的形態(tài)可視化平臺(tái)相比，它有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。例如，現(xiàn)有的平臺(tái)主要關(guān)注生態(tài)位領(lǐng)域，目前還沒(méi)有一種工具可以將來(lái)自生物學(xué)所有不同子領(lǐng)域的形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)整合到一個(gè)位置。此外，目前大多數(shù)平臺(tái)都是以軟件的形式下載到計(jì)算機(jī)上，而不是基于web的瀏覽器，這使得用戶很難維護(hù)它們。雖然存在一些基于web的形態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，但大多數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)不允許用戶上傳新數(shù)據(jù)，并且它們的交互能力有限。研究人員開發(fā)了MorphoNet來(lái)填補(bǔ)這些空白。

研究人員將這一時(shí)期的形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)與20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初的基因組數(shù)據(jù)革命相提并論。那時(shí)，人類基因組計(jì)劃和其他基因組測(cè)序項(xiàng)目正在進(jìn)行，研究人員突然獲得了大量關(guān)于DNA、染色體、核苷酸和許多其他遺傳物質(zhì)的新數(shù)據(jù)。為了方便使用所有這些數(shù)據(jù)，開發(fā)了計(jì)算瀏覽器，如WashU表觀基因組瀏覽器和UCSC基因組瀏覽器。MorphoNet的目的是類似于這些形態(tài)數(shù)據(jù)的基因組瀏覽器。

MorphoNet運(yùn)行在標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器上，提供兩種類型的訪問(wèn):未注冊(cè)的用戶可以訪問(wèn)公共數(shù)據(jù)集，只有可視化的權(quán)利，而注冊(cè)用戶有附加的權(quán)利，如上傳和下載數(shù)據(jù)的能力。由于形態(tài)數(shù)據(jù)有許多不同的格式，研究人員創(chuàng)建了一種通用格式，因此任何上傳的數(shù)據(jù)都以這種標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行復(fù)制，而原始的副本也保留在服務(wù)器上。標(biāo)準(zhǔn)格式允許跨領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，用戶可以集成來(lái)自多個(gè)數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)并查看結(jié)果。

MorphoNet的一些功能包括將來(lái)自不同數(shù)據(jù)集的對(duì)象分組，以構(gòu)建更高階的結(jié)構(gòu)，如器官;根據(jù)對(duì)象的時(shí)間祖先對(duì)其進(jìn)行分組，例如跟蹤細(xì)胞譜系;隱藏物體或使其部分透明，允許用戶“透視”人體或其他有機(jī)體的解剖結(jié)構(gòu);將新的定量和定性數(shù)據(jù)作為標(biāo)簽或熱圖投影到圖像上;在圖像上疊加基因表達(dá)模式，從而連接遺傳和形態(tài)信息;并計(jì)算出形態(tài)數(shù)據(jù)定量方面的某些統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。

創(chuàng)建形態(tài)瀏覽器的最大挑戰(zhàn)之一是壓縮大量數(shù)據(jù)，以允許其可視化和交互。要做到這一點(diǎn)，圖像被壓縮到表面網(wǎng)格，這是使用Unity3D游戲引擎，運(yùn)行在標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器渲染。另外，雖然簡(jiǎn)單的計(jì)算可以直接在服務(wù)器上執(zhí)行，但是更復(fù)雜的計(jì)算可以通過(guò)向MorphoNet服務(wù)器上傳任何基于python或imagejb執(zhí)行的計(jì)算來(lái)在外部執(zhí)行。

在未來(lái)，研究人員計(jì)劃進(jìn)一步利用MorphoNet進(jìn)行自身在發(fā)育生物學(xué)方面的研究，并拓展其特性，探索其潛在的工業(yè)應(yīng)用。

福爾在接受Phys.org網(wǎng)站采訪時(shí)表示:“我們將優(yōu)先解決新漏洞、添加新數(shù)據(jù)集以及開發(fā)常見(jiàn)的用戶功能?！薄白鳛槲覀冮L(zhǎng)期愿景的一部分，我們希望更好地將所有基因表達(dá)數(shù)據(jù)集信息與其相應(yīng)的細(xì)胞形狀整合在一起。我們目前正在探索的一個(gè)更具技術(shù)性的方向(與INRIA混合團(tuán)隊(duì)一起)是將MorphoNet嵌入到一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，以一個(gè)完全的3d視覺(jué)而不是一個(gè)簡(jiǎn)單的2d屏幕來(lái)探索我們的4-D數(shù)據(jù)集。

“在MorphoNet潛在的工業(yè)應(yīng)用方面，我們認(rèn)為工業(yè)界可能會(huì)對(duì)MorphoNet用于他們自己的主題(建筑、航空等)感興趣。我們目前正在與技術(shù)轉(zhuǎn)移加速器平臺(tái)Axlr合作，以便將我們的工作與工業(yè)聯(lián)系起來(lái)。在這個(gè)方向上，我們也向我們當(dāng)?shù)氐腛ccitanie尋求支持?！?/p>

現(xiàn)在，任何有興趣嘗試MorphoNet的人應(yīng)該聯(lián)系Faure(電子郵件地址可以在這里找到)。

“然后我可以給他們開通一個(gè)賬戶，他們就可以開始上傳自己的數(shù)據(jù)，享受MorphoNet在他們項(xiàng)目中的使用，”他說(shuō)?！盁o(wú)論如何，這是MorphoNet的第一個(gè)官方版本，所以這里和那里有一些東西還沒(méi)有完全開發(fā)和完善。我很樂(lè)意幫助任何對(duì)我們的工具感興趣的研究人員?！?/p>