在过去二十年中,由于成像技术的进步,形态研究 - 生物有机体的形状和结构的研究 - 已经爆炸。研究人员已经生成了大量的视觉数据,例如使用CT扫描对大脑进行成像,使用低温电子显微镜观察近原子分辨率下的病毒和蛋白质,以及用于对内部器官,胚胎和各种生物进行成像的光片显微镜。

在一篇新论文中,来自法国蒙彼利埃,里昂和图卢兹I和III大学的一组研究人员合作创建了MorphoNet.org,这是一个开源的,可公开的,互动的,通用的形态动态网络浏览器,以帮助研究人员,教师和学生分享,分析和可视化丰富的新形态数据。

开发MorphoNet的部分动机是在研究人员自己的工作中产生的。Emmanuel Faure和他在CNRS蒙彼利埃大学的团队一直在研究海鞘(海鞘)及其胚胎在胚胎发育过程中如何发育。为了更好地理解生物体表型和基因型之间的联系,研究人员希望将它们的形状进化与其基因表达模式的动态联系起来。利用光片显微镜,研究人员构建了几个发育胚胎的4-D(3-D + t)数据集,现在他们可以使用MorphoNet通过与海鞘遗传数据库的链接进一步探索基因到形状的反馈。。

MorphoNet具有更广泛使用的潜力,并且与当前的形态可视化平台相比具有多个优势。例如,现有平台主要关注利基领域,目前没有工具将来自生物学的所有不同子领域的形态学数据组合在一个位置。此外,大多数当前平台采用软件形式下载到计算机而不是基于Web的浏览器,这使得用户难以维护。虽然存在一些基于Web的形态学数据库,但大多数不允许用户上传新数据,并且他们的交互能力有限。研究人员开发了MorphoNet来填补这些空白。

研究人员将形态学数据的这个时代与20世纪90年代和21世纪初的基因组数据革命进行了比较。当时,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有关DNA,染色体,核苷酸和许多其他遗传物质的新数据。为了帮助促进所有这些数据的使用,开发了计算浏览器,例如WashU Epigenome Browser和UCSC Genome Browser。MorphoNet旨在与形态学数据的这些基因组浏览器类似。

MorphoNet在标准的互联网浏览器上运行,并提供两种类型的访问:未注册的用户可以访问公共数据集并仅具有可视化权限,而注册用户具有其他权限,例如上载和下载数据的能力。由于形态学数据有许多不同的格式,研究人员创建了一种通用格式,以便任何上传的数据都以此标准格式复制,而原始副本也保留在服务器上。标准格式允许跨学科网络结构,用户可以在其中集成来自多个数据集的数据并探索结果。

MorphoNet的一些功能包括能够对来自不同数据集的对象进行分组以构建高阶结构,例如器官;通过其时间祖先对对象进行分组,例如用于跟踪细胞谱系;隐藏物体或使物体部分透明,使用户能够“透视”人体或其他生物体的解剖结构;将新的定量和定性数据作为标签或热图投影到图像上;将基因表达模式叠加到图像上,从而桥接遗传和形态信息;并计算形态学数据的定量方面的某些统计特性。

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。为此,图像被压缩为表面网格,使用在标准互联网浏览器上运行的Unity3D游戏引擎进行渲染。此外,虽然可以直接在服务器上执行简单计算,但可以通过将任何基于Python或ImageJ执行的计算上载到MorphoNet服务器来在外部执行更复杂的计算。

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图片来源:Nature Communications。DOI:10.1038 / s41467-019-10668-1

在未来,研究人员计划进一步使用MorphoNet进行自身的发育生物学研究,并扩展其功能并探索潜在的工业应用。

“将优先考虑解决新漏洞,添加新数据集以及开发常见用户功能,”Faure告诉Phys.org。“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相结合。我们目前正在探索的更为技术性的轴(使用INRIA混合团队)将MorphoNet嵌入到虚拟现实环境,使用完全3-D视觉而不是简单的2-D屏幕来探索我们的4-D数据集。

“在MorphoNet的潜在工业应用方面,我们认为行业可能对使用MorphoNet的自身主题(架构,航空等)感兴趣。我们目前正在使用技术转移加速器平台Axlr,以便把我们的工作与工业联系起来。在这个方向上,我们也刚刚要求当地的Occitanie支持。“

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

“然后我可以打开他们的帐户,他们将能够开始上传他们自己的数据并享受在他们的项目中使用MorphoNet,”他说。“无论如何,这是MorphoNet的第一次正式发布,因此有一些事情尚未全面发展和完善。我很乐意帮助任何对我们的工具感兴趣的研究人员。”