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MorphoNet为探索生物成像数据革命提供了一种互动的方式

  • 科技
  • 2020-01-06 14:56:27
  • 来源:

在过去的20年里,由于成像技术的进步,形态学的研究——对生物组织的形状和结构的研究——取得了爆炸性的进展。研究人员已经生成了大量的视觉数据,例如使用CT扫描来成像大脑,低温电子显微镜以接近原子的分辨率来可视化病毒和蛋白质,以及光板显微镜来成像内部器官、胚胎和各种生物体。

在一项新的报告中,伯克利大学的一组研究人员从蒙彼利埃里昂,我和III在法国图卢兹合作创建MorphoNet.org,一个开源,公开的、互动的、通用的形态动力学web浏览器帮助研究人员,教师,和学生分享,分析和可视化新形态的丰富数据。

开发MorphoNet的部分动机源于研究人员自己的工作。法国蒙佩利埃大学的Emmanuel Faure和他的团队一直在研究海鞘(海鞘)以及它们的胚胎在胚胎发生过程中是如何发育的。为了更好地理解生物的表现型和基因型之间的联系,研究人员想把它们的形状进化与基因表达模式的动态联系起来。利用光镜技术,研究人员构建了若干发育中的胚胎的4-D (3-D+t)数据集,现在他们可以使用MorphoNet来进一步探索基因到形状的反馈,使用到ascii基因数据库的链接。

MorphoNet有可能得到更广泛的应用,与目前的形态可视化平台相比,它有几个优势。例如,现有的平台主要关注生态位领域,目前还没有一种工具可以将来自生物学所有不同子领域的形态学数据整合到一个位置。此外,目前大多数平台都是以软件的形式下载到计算机上,而不是基于web的浏览器,这使得用户很难维护它们。虽然存在一些基于web的形态数据库,但大多数数据库不允许用户上传新数据,并且它们的交互能力有限。研究人员开发了MorphoNet来填补这些空白。

研究人员将这一时期的形态学数据与20世纪90年代和21世纪初的基因组数据革命相提并论。那时,人类基因组计划和其他基因组测序项目正在进行,研究人员突然获得了大量关于DNA、染色体、核苷酸和许多其他遗传物质的新数据。为了方便使用所有这些数据,开发了计算浏览器,如WashU表观基因组浏览器和UCSC基因组浏览器。MorphoNet的目的是类似于这些形态数据的基因组浏览器。

MorphoNet运行在标准的互联网浏览器上,提供两种类型的访问:未注册的用户可以访问公共数据集,只有可视化的权利,而注册用户有附加的权利,如上传和下载数据的能力。由于形态数据有许多不同的格式,研究人员创建了一种通用格式,因此任何上传的数据都以这种标准格式进行复制,而原始的副本也保留在服务器上。标准格式允许跨领域的网络结构,在这种结构中,用户可以集成来自多个数据集的数据并查看结果。

MorphoNet的一些功能包括将来自不同数据集的对象分组,以构建更高阶的结构,如器官;根据对象的时间祖先对其进行分组,例如跟踪细胞谱系;隐藏物体或使其部分透明,允许用户“透视”人体或其他有机体的解剖结构;将新的定量和定性数据作为标签或热图投影到图像上;在图像上叠加基因表达模式,从而连接遗传和形态信息;并计算出形态数据定量方面的某些统计性质。

创建形态浏览器的最大挑战之一是压缩大量数据,以允许其可视化和交互。要做到这一点,图像被压缩到表面网格,这是使用Unity3D游戏引擎,运行在标准的互联网浏览器渲染。另外,虽然简单的计算可以直接在服务器上执行,但是更复杂的计算可以通过向MorphoNet服务器上传任何基于python或imagejb执行的计算来在外部执行。

在未来,研究人员计划进一步利用MorphoNet进行自身在发育生物学方面的研究,并拓展其特性,探索其潜在的工业应用。

福尔在接受Phys.org网站采访时表示:“我们将优先解决新漏洞、添加新数据集以及开发常见的用户功能。”“作为我们长期愿景的一部分,我们希望更好地将所有基因表达数据集信息与其相应的细胞形状整合在一起。我们目前正在探索的一个更具技术性的方向(与INRIA混合团队一起)是将MorphoNet嵌入到一个虚拟现实环境中,以一个完全的3d视觉而不是一个简单的2d屏幕来探索我们的4-D数据集。

“在MorphoNet潜在的工业应用方面,我们认为工业界可能会对MorphoNet用于他们自己的主题(建筑、航空等)感兴趣。我们目前正在与技术转移加速器平台Axlr合作,以便将我们的工作与工业联系起来。在这个方向上,我们也向我们当地的Occitanie寻求支持。”

现在,任何有兴趣尝试MorphoNet的人应该联系Faure(电子邮件地址可以在这里找到)。

“然后我可以给他们开通一个账户,他们就可以开始上传自己的数据,享受MorphoNet在他们项目中的使用,”他说。“无论如何,这是MorphoNet的第一个官方版本,所以这里和那里有一些东西还没有完全开发和完善。我很乐意帮助任何对我们的工具感兴趣的研究人员。”


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