MorphoNet為探索生物成像數據革命提供了一種互動的方式

在過去的20年里，由于成像技術的進步，形態(tài)學的研究——對生物組織的形狀和結構的研究——取得了爆炸性的進展。研究人員已經生成了大量的視覺數據，例如使用CT掃描來成像大腦，低溫電子顯微鏡以接近原子的分辨率來可視化病毒和蛋白質，以及光板顯微鏡來成像內部器官、胚胎和各種生物體。

在一項新的報告中,伯克利大學的一組研究人員從蒙彼利埃里昂,我和III在法國圖盧茲合作創(chuàng)建MorphoNet.org,一個開源,公開的、互動的、通用的形態(tài)動力學web瀏覽器幫助研究人員,教師,和學生分享,分析和可視化新形態(tài)的豐富數據。

開發(fā)MorphoNet的部分動機源于研究人員自己的工作。法國蒙佩利埃大學的Emmanuel Faure和他的團隊一直在研究海鞘(海鞘)以及它們的胚胎在胚胎發(fā)生過程中是如何發(fā)育的。為了更好地理解生物的表現型和基因型之間的聯系，研究人員想把它們的形狀進化與基因表達模式的動態(tài)聯系起來。利用光鏡技術，研究人員構建了若干發(fā)育中的胚胎的4-D (3-D+t)數據集，現在他們可以使用MorphoNet來進一步探索基因到形狀的反饋，使用到ascii基因數據庫的鏈接。

MorphoNet有可能得到更廣泛的應用，與目前的形態(tài)可視化平臺相比，它有幾個優(yōu)勢。例如，現有的平臺主要關注生態(tài)位領域，目前還沒有一種工具可以將來自生物學所有不同子領域的形態(tài)學數據整合到一個位置。此外，目前大多數平臺都是以軟件的形式下載到計算機上，而不是基于web的瀏覽器，這使得用戶很難維護它們。雖然存在一些基于web的形態(tài)數據庫，但大多數數據庫不允許用戶上傳新數據，并且它們的交互能力有限。研究人員開發(fā)了MorphoNet來填補這些空白。

研究人員將這一時期的形態(tài)學數據與20世紀90年代和21世紀初的基因組數據革命相提并論。那時，人類基因組計劃和其他基因組測序項目正在進行，研究人員突然獲得了大量關于DNA、染色體、核苷酸和許多其他遺傳物質的新數據。為了方便使用所有這些數據，開發(fā)了計算瀏覽器，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)數據的基因組瀏覽器。

MorphoNet運行在標準的互聯網瀏覽器上，提供兩種類型的訪問:未注冊的用戶可以訪問公共數據集，只有可視化的權利，而注冊用戶有附加的權利，如上傳和下載數據的能力。由于形態(tài)數據有許多不同的格式，研究人員創(chuàng)建了一種通用格式，因此任何上傳的數據都以這種標準格式進行復制，而原始的副本也保留在服務器上。標準格式允許跨領域的網絡結構，在這種結構中，用戶可以集成來自多個數據集的數據并查看結果。

MorphoNet的一些功能包括將來自不同數據集的對象分組，以構建更高階的結構，如器官;根據對象的時間祖先對其進行分組，例如跟蹤細胞譜系;隱藏物體或使其部分透明，允許用戶“透視”人體或其他有機體的解剖結構;將新的定量和定性數據作為標簽或熱圖投影到圖像上;在圖像上疊加基因表達模式，從而連接遺傳和形態(tài)信息;并計算出形態(tài)數據定量方面的某些統計性質。

創(chuàng)建形態(tài)瀏覽器的最大挑戰(zhàn)之一是壓縮大量數據，以允許其可視化和交互。要做到這一點，圖像被壓縮到表面網格，這是使用Unity3D游戲引擎，運行在標準的互聯網瀏覽器渲染。另外，雖然簡單的計算可以直接在服務器上執(zhí)行，但是更復雜的計算可以通過向MorphoNet服務器上傳任何基于python或imagejb執(zhí)行的計算來在外部執(zhí)行。

在未來，研究人員計劃進一步利用MorphoNet進行自身在發(fā)育生物學方面的研究，并拓展其特性，探索其潛在的工業(yè)應用。

福爾在接受Phys.org網站采訪時表示:“我們將優(yōu)先解決新漏洞、添加新數據集以及開發(fā)常見的用戶功能。”“作為我們長期愿景的一部分，我們希望更好地將所有基因表達數據集信息與其相應的細胞形狀整合在一起。我們目前正在探索的一個更具技術性的方向(與INRIA混合團隊一起)是將MorphoNet嵌入到一個虛擬現實環(huán)境中，以一個完全的3d視覺而不是一個簡單的2d屏幕來探索我們的4-D數據集。

“在MorphoNet潛在的工業(yè)應用方面，我們認為工業(yè)界可能會對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轉移加速器平臺Axlr合作，以便將我們的工作與工業(yè)聯系起來。在這個方向上，我們也向我們當地的Occitanie尋求支持。”

現在，任何有興趣嘗試MorphoNet的人應該聯系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賬戶，他們就可以開始上傳自己的數據，享受MorphoNet在他們項目中的使用，”他說?！盁o論如何，這是MorphoNet的第一個官方版本，所以這里和那里有一些東西還沒有完全開發(fā)和完善。我很樂意幫助任何對我們的工具感興趣的研究人員。”