Synligt embryoprojekt

The Visible Embryo Project ( VEP ) är ett multiinstitutionellt, multidisciplinärt forskningsprojekt som ursprungligen skapades i början av 1990-talet som ett samarbete mellan Developmental Anatomy Center vid Nationalmuseet för hälsa och medicin och Biomedical Visualization Laboratory (BVL) vid University of Illinois i Chicago , "att utveckla mjukvarustrategier för utveckling av distribuerade biostrukturella databaser med användning av banbrytande teknologier för högpresterande datorer och kommunikation (HPCC), och att implementera dessa verktyg i skapandet av ett storskaligt digitalt arkiv av multidimensionell data om normal och onormal mänsklig utveckling." Detta projekt relaterade till BVL:s övriga forskning inom områdena hälsoinformatik, pedagogisk multimedia och biomedicinsk bildvetenskap. Under de följande decennierna växte listan över VEP-samarbetspartners till att omfatta över ett dussin universitet, nationella laboratorier och företag runt om i världen.

Ett tidigt (1993) mål med projektet var att möjliggöra vad det kallade "Spatial Genomics", att skapa verktyg och system för tredimensionell morfologisk kartläggning av genuttryck, att korrelera data från Human Genome Project med den multidimensionella platsen för genomiskt uttryck . aktivitet inom organismers morfologiska sammanhang. Detta ledde till uppfinningen i slutet av 1990-talet av VEP-medarbetare av det första systemet för Spatial transcriptomics . Andra områden som VEP-forskare banat väg för inkluderar tidiga webbteknologier, molnberäkning, blockchain och virtuell assistentteknologi.

Tidig historia

VEP skapades 1992 som ett samarbete mellan UIC Biomedical Visualization Laboratory, regisserad av Michael Doyle, och Human Developmental Anatomy Center vid National Museum of Health and Medicine (NMHM), regisserad av Adrianne Noe. Doyle hade utsetts till tillsynskommittén för Visible Human Project vid National Library of Medicine, men det skulle dröja flera år innan den informationen skulle bli tillgänglig. När han letade efter andra källor till högupplösta volymdata om den mänskliga anatomiska strukturen kom han över Carnegie Collection of Human Embryology, inrymd på NMHM. Paul Lauterburs laboratorium, nobelpristagaren 2003 , skapade Dr. Doyle en plan för VEP och arbetade tillsammans med Dr. Noe för att rekrytera en stor grupp framstående forskare att gå med som första medarbetare.

Ett primärt mål med projektet var att tillhandahålla en testbädd för utveckling av ny teknik, och förfining av befintliga, för tillämpning av höghastighets, högpresterande datoranvändning och kommunikation på aktuella problem inom biomedicinsk vetenskap.

Data

Mycket av det tidiga arbetet involverade att skapa seriella sektionsrekonstruktioner från objektglas och extrahera volymetriska data från NMHM-proverna, snarare än bara ytdata. Uppsättningar av seriemikroskopiska tvärsnitt genom mänskliga embryon (framställda av Carnegie Collection-bidragsgivare mellan 1890- och 1970-talen) användes som exempelbilddata för att designa och implementera olika komponenter i systemet. Dessa bilder digitaliserades och bearbetades för att skapa 3D-voxeldatauppsättningar som representerar embryonal anatomi. Standardtekniker för 3D-volymvisualisering kan sedan tillämpas på dessa data. Bildbehandling av dessa data krävdes för att korrigera för vissa artefakter som hittades i de ursprungliga mikroskopsektionerna från rutinmässiga histologiska tekniker för vävnadspreparatet.

Senare aktiviteter i projektet skulle använda MRM-datauppsättningar som förvärvats från NMHM-samlingen, ultrahögupplösta histologibilder och tredimensionella vuxenbilddata som förvärvats via Visible Human Project , förutom embryodata.

Samarbeten

VEP blev ett långtgående forskningsprogram för samarbete som involverade ett stort antal framstående forskare över hela landet och runt om i världen, inklusive bland många andra Michael Doyle, från UIC, då UCSF, och projektets grundare, Adrianne Noe, direktör för National Museum of Health and Medicine , George Washington Universitys Robert Ledley , uppfinnare av helkropps-CT-skannern , UIUC :s Paul Lauterbur , MRI- pionjär och nobelpristagare , LSU :s Ray Gasser, framstående embryolog, Oregon Health & Science University Kent Thornburg, internationellt känd utvecklingsbiolog, Regan Moore, chef för DICE-gruppen vid San Diego Supercomputer Center , William Lennon från Lawrence Livermore National Laboratory , Ingrid Carlbom från Digital Equipment Corporations Cambridge Research Lab och Demetri Terzopoulos från University of Toronto .

Några anmärkningsvärda samarbeten med synliga embryoprojekt inkluderar:

Muritech

I mitten av 1990-talet samarbetade Michael Doyle med Harvards Betsey Williams för att skapa en internetatlas över musutveckling, i ett projekt som heter "Muritech." En prototyp av två- och tredimensionell färgatlas av musutveckling utvecklades med användning av två embryon, ett 13,5 d normalt musembryo och ett PATCH-mutantembryo av samma ålder. Seriella sektioner av embryona, med ett externt registreringsmarkörsystem, infört i paraffininbäddningsprocessen, preparerades med histologiska standardmetoder. För 2D-atlasen digitaliserades färgbilder från 100 på varandra följande sektioner av det normala embryot. För 3D-atlasen var 300 gråskaliga bilder digitaliserade från det muterade embryot konformt förvrängda och rekonstruerade till en 3D-volymdatauppsättning. Det externa referenssystemet underlättade den tredimensionella rekonstruktionen genom att tillhandahålla noggrann registrering av på varandra följande bilder och möjliggjorde även exakt rumslig kalibrering och korrigering av skevningsartefakter. Atlaserna, med tillhörande anatomiska kunskapsbas, integrerades sedan i en multimedia online-informationsresurs via VEP:s webbteknologi för att förse forskningsbiologer med en uppsättning avancerade verktyg för att analysera normal och onormal murin embryonal utveckling.

Nästa generations internetkontrakt

Projektet Human Embryology Digital Library and Collaboratory Support Tools startades 1999 som en demonstration av den biomedicinska tillämpningspotentialen hos Next Generation Internet (NGI). Samarbetspartnerna inkluderade åtta organisationer på platser runt det kontinentala USA, en blandning av medicinska och informationsteknologiska organisationer, inklusive George Mason University , Eolas , Armed Forces Institute of Pathology , Johns Hopkins University , Lawrence Livermore National Laboratory , Oregon Health & Science University , San Diego Supercomputer Center och University of Illinois i Chicago . Projektet genomförde tre stora ansökningar, baserade på Carnegie Collection of Embryos vid AFIP:s National Museum of Health and Medicine Human Development Anatomy Center (HDAC), en samling vävnadsobjektglas på cellnivå som är ett av världens största förråd av mänskliga embryon .

Dessa applikationer inkluderade:

1. Digitalisering, kurering och anteckning av embryodata: VEP-teamet skapade en produktionsdigitaliseringskapacitet, med hjälp av automatiserad digital mikroskopi, med data som automatiskt registreras för plattsättning och överförs till förvaret vid San Diego Supercomputer Center och kommenteras av team av biomedicinska volontärer med kvalitetskontroll på expertnivå. 2. Distribuerad embryologiutbildning med material från Carnegie Collection för att skapa animationer av embryonutveckling och inspelade masterclasses som kan streamas över Internet eller laddas ner för att skapa ett bärbart elektroniskt klassrum. 3. Klinisk ledningsplanering där medicinsk personal och blivande förälderpatienter kan granska normala och onormala utvecklingsmönster med samråd med experter på avstånd.

AnatLab

För att möjliggöra nya sätt att interaktivt utforska VEP:s enorma volymdatauppsättningar skapade Michael Doyle zMap-systemet, med hjälp av Visible Human Project- bilddata för den första prototypen. 2011 samarbetade Doyle med Steven Landers, Maurice Pescitelli och andra för att använda zMap för att skapa ett interaktivt verktyg som låter användaren välja önskade uppsättningar av anatomiska strukturer för den automatiserade genereringen av 3D Quicktime VR- visualiseringar . Systemet använde de tillgängliga resurserna i Eolas AnatLabs kunskapsbas, som har över 2200 identifierade strukturer som involverar totalt över 4600 sektioner och totalt 700 000 anteckningar, för att komma åt den anatomiska strukturens ytinformation för enskilda strukturer. Denna ytinformation användes sedan för att automatiskt extrahera de inneslutna volymetriska bilddata och konvertera data till ett format som är kompatibelt med Osirix volymavbildningssystem. Automatiserade skript styrde sedan Osirix i skapandet av en 3D-visualisering av gruppen av utvalda anatomiska strukturer. Fotorealistiska resultat erhölls genom att använda den ursprungliga färgvoxelinformationen från de ursprungliga Visible Human- kryosektionsbilderna för att färga ytan av 3D-rekonstruktionen. Systemet gick sedan automatiskt igenom en fördefinierad uppsättning rotationer för att generera den uppsättning bildramar som krävs för att skapa en interaktiv Quicktime VR (QTVR) film. Detta system gjorde det därmed möjligt för en anatomi-instruktör att snabbt och enkelt generera skräddarsydda interaktiva 3D-rekonstruktioner för användning i klassrummet.

Teknologier

Under decennierna sedan det startade har arbetet som gjorts i Visible Embryo Project lett till utvecklingen av flera viktiga tekniska genombrott som har haft en världsomspännande inverkan:

Rumslig transkriptomik

Även om rumslig kartläggning av Omics-data hade beskrivits som ett initialt mål för VEP, var det inte förrän 1999 som fyra VEP-samarbetspartners, Michael Doyle, George Michaels, Maurice Pescitelli och Betsey Williams, arbetade tillsammans för att skapa ett system för vad de kallas "spatial genomik". Idag är denna teknik känd som Spatial transcriptomics . Som deras amerikanska patentansökan 2001 anger, löste deras system behovet "att samla genuttrycksdata på ett sätt som stöder den typ av utforskande forskning som kan dra fördel av de bredspektrumtyper av biologisk aktivitetsanalys som möjliggörs av dagens mikroarrayverktyg . " såväl som behovet av "teknik för att möjliggöra insamling av stora volymer av dessa typer av data, för att möjliggöra utforskande undersökningar av mönster av biologisk aktivitet ... för att korrelera genuttrycksdata med morfologisk struktur på ett användbart och lättförståeligt sätt, som i en volymvisualiseringsmiljö ... för att tillåta insamling av större volymer av genuttrycksdata över ett bredare spektrum av gentyper än någonsin tidigare."

De döpte sitt system till SAGA, förkortning för Spatial Analysis of Genomic Activity. Såsom beskrivs i de relaterade amerikanska patenten, 7 613 571, 7 894 997 och 10 011 864, möjliggjorde SAGA-systemet den multidimensionella morfologiska rekonstruktionen av vävnadsbiologiska aktivitet och "gör det möjligt för biologiska vävnadsprover att avbildas i flera dimensioner för att möjliggöra samma morfologiska vävnadsrekonstruktion. tas fysiskt i en vanlig rasteruppsättning, så att vävnadsprover tas i ett regelbundet flerdimensionellt matrismönster över var och en av vävnadsprovets dimensioner. Varje prov isoleras och kodas så att det senare kan korreleras till de specifika flerdimensionella rastermatriskoordinaterna , vilket ger en korrelation med provets ursprungliga morfologiska plats före provtagning i vävnadsprovet. Varje vävnadsprov analyseras sedan med brett spektrum biologiska aktivitetsmetoder, vilket ger information om en mängd biologiska funktionella egenskaper [mRNA, etc.] för detta De resulterande rasterbaserade biologiska egenskaperna kan sedan kartläggas rumsligt i den ursprungliga flerdimensionella morfologiska matrisen av bilddata. ... olika typer av analyser kan sedan utföras på de resulterande korrelerade multidimensionella rumsliga datamängderna."

Spatial transcriptomics utsågs till "Årets metod för 2020" av Nature i januari 2021.

Molnet

1993 blev Dr. Doyle direktör för UCSF Center for Knowledge Management (CKM). För att skapa den underliggande mjukvaran och hårdvaran som skulle ge den nödvändiga beräkningskraften för VEP, designade Doyles CKM-grupp ett nytt paradigm för att utföra fjärrvisualisering av klient-servervolymer över Internet. Detta innebar att skapa ett system för fjärrberäkning av visualiseringar genom ett nätverksanslutet kluster, eller moln, av distribuerade heterogena beräkningsmotorer, och koordinera beräkningarna för att skicka användargränssnittskontrollmeddelanden till dessa motorer, vilket fick molndatorerna att generera nya renderade visualiseringar och strömma de resulterande visningar till användarnas skrivbord, samtidigt som deltakodning och komprimering av strömmad data för att optimera prestanda över anslutningar med låg bandbredd.

För att dölja komplexiteten i systemet för användaren modifierade de en av de tidigaste versionerna av NCSA Mosaic webbläsare för att tillåta att deras interaktiva molnbaserade applikationer automatiskt startas och köras inbäddade på webbsidor, så att alla användare behöver bara ladda ett webbdokument från VEP och skulle kunna omedelbart interaktivt utforska projektets flerdimensionella datauppsättningar, snarare än statiska representationer av dessa datauppsättningar.

I november 1993 demonstrerade CKM:s VEP-forskargrupp detta system, den första webbaserade molnapplikationsplattformen, på scenen för ett möte med cirka 300 Bay Area SIGWEB-medlemmar på Xerox PARC.

Idag kallas denna förmåga " molnet ". VEP-teamets arbete öppnade dörren till webbens potential att tillhandahålla rika informationsresurser till användare, oavsett var de befann sig och skapade en mångmiljontals industri som ett resultat.

zMap

Dr. Doyle började sedan fokusera mer direkt på problemet med hur man navigerar inom dessa komplexa biomedicinska volymdatauppsättningar och utvecklade ett system för att kartlägga den semantiska identiteten av morfologiska strukturer inom datamängderna och integrera dessa kartläggningar med hypermedialänkmekanismen på webben. Detta ledde till skapandet av det första tredimensionella webbbildskartsystemet och användes för att skapa en mängd olika interaktiva referenssystem online för biomedicinsk utbildning och forskning under hela 90-talet och därefter.

Blockchain

En av utmaningarna för stora samverkande kunskapsbaser är hur man säkerställer dataintegriteten under en lång tidsperiod. Standardkrypteringsmetoder som är beroende av att lita på en central valideringsmyndighet är sårbara för en mängd olika faktorer som kan leda till datakorruption, inklusive hacking, dataintrång, insiderbedrägerier och eventuellt försvinnande av själva valideringsmyndigheten. För att lösa detta problem för VEP-datainsamlingarna skapade Dr. Doyle en ny typ av kryptografiskt system, kallat Transient-key cryptography . Detta system tillåter validering av dataintegritet utan att kräva att användarna av systemet litar på någon central myndighet, och representerade också det första framåtriktade blockchain- systemet, vilket möjliggjorde senare skapandet av Bitcoin -systemet. I mitten av 2000-talet antogs denna teknik som en nationell standard i ANSI ASC X9.95 Standard för betrodda tidsstämplar .

Virtuella assistenter

Sedan mitten av 2000-talet har VEP-teamet använt sig av digitala röst- och textkommunikationssystem för att underlätta kommunikationen mellan geografiskt fördelade teammedlemmar. För att öka effektiviteten i dessa kommunikationer samarbetade Michael Doyle och Steve Landers för att skapa Skybot-systemet, det första AI-baserade mobila virtuella assistentsystemet . Skybot använde kraften och flexibiliteten hos AI för att dramatiskt utöka användningen av meddelandesystem. Med Skybot kan man skapa en mängd olika programmerbara svar på inkommande samtal och chattmeddelanden. Systemet inkorporerade en tillståndsmaskin som kunde konfigureras för att automatiskt utlösa automatiska svar på olika kommunikations- och användarkontexthändelser. Detta försåg användaren med en förvånansvärt bred och kraftfull uppsättning möjligheter för att automatisera mobilkommunikationsoperationer och banade väg för produktkategorin mobila intelligenta assistenter som nu finns överallt i världen.

Nuvarande status

Planer pågår för att säkra finansieringen som krävs för att utöka Visible Embryo Project för att skapa en nationell resurs som kombinerar storskalig kunskapsbas med avancerade analytiska verktyg i en innovativ online-samarbetsmiljö för att stödja och fortsätta att främja konsten och vetenskapen om Spatial Omics.

Se även

externa länkar