盘点改变数据理解的四大可视化方法 | 数盟社区

原作者: 宗华|来自: 中国科学报

让生物学研究“看得见”

果蝇卵室中细胞之间的相互连接(左)通过一维网络(右)呈现了出来。
图片来源:Jasmin Imran Alsous & Paul Villoutreix
巧妙的可视化能改变生物学家对数据的理解。考虑到可以对细胞中的每个RNA分子进行测序,或者在一天之内用显微镜图像将一个硬盘驱动器填满,生命科学家正在越来越多地寻求别出心裁的可视化方式,以理解其收集的大量原始数据。
今年3月,一些目前令生物学家激动不已的可视化方法在德国海德尔堡举行的欧洲分子生物学实验室会议上得以展示。此次名为“生物学数据可视化”的会议由澳大利亚悉尼加文医学研究所生物信息学家Seán ODonoghue共同组织。会议吸引了大批实验室研究人员、计算机专家和设计师,并且是第7年举办。
《自然》杂志日前介绍了ODonoghue挑选出的一些有望变革生物学的可视化方法。
细胞流线化
生物信息学博士后Nico Scherf利用激光片层扫描显微技术发现,细胞在发育成斑马鱼胚胎时会改变路径以形成不同胚层和器官。此项技术由Scherf在德国马普学会分子细胞生物学和遗传学研究所的导师发明。他介绍说,当追踪每个单独的斑马鱼细胞路径时,“你最终得到的是一个由各条路径形成的‘毛团’。”为了从这些“毛团”中领悟到什么,Scherf借鉴了一些用于分析大气和海洋环流的流体动力学方法。“你只需要标绘出能提供细胞运动‘高速路’的主要流线。”
为此,Scherf编写了一些软件分析图像,并根据请求和其他人共享。迄今为止,他的方法表明,一个导致异常器官发育的突变仅在斑马鱼发育的极早期改变细胞的运动。Scherf认为,正在研究其他生物体发育的人们也能从这种方法中受益。
抽象联系
美国普林斯顿大学发育生物学家Jasmin Imran Alsous从毕加索身上获得了灵感。当时,她正在试图理解果蝇卵室的显微镜图像。卵室是一个鱼雷状的腔室,在受精卵经过4次不完全和非对称的分裂时形成。
Alsous的导师给她发了一篇关于毕加索版画的文章,其中对一头公牛进行了越来越抽象的描绘。Alsous认为,同样的原则可适用于对卵室的描绘。
她将卵室的荧光显微镜图像转变成一串清晰地展现每个细胞如何同其他细胞连接的数字。利用这种抽象方法,Alsous发现,在卵室的72种可能组合中,其中一些要相对常见得多。目前,她正在测试不同的组合是否会影响果蝇胚胎生长和发育的方式。
细胞的更好模型
ODonoghue介绍说,他对脂肪细胞如何响应胰岛素进行了可视化的首次尝试,最终获得的是一个由十字交叉型分子路径形成的“毛团”。一位同事曾研究了细胞中上百种不同蛋白质是如何在1个小时内被磷酸化(往往会激活蛋白质),从而对胰岛素作出响应的。此时,细胞会停止燃烧脂肪以产生能量,并且开始合成糖以及储存脂肪。
为驯服这个“毛团”,ODonoghue从一张由19世纪法国土木工程师Charles Joseph Minard创建的著名图表中获得了灵感。该图表描绘了拿破仑对俄罗斯发起的灾难性入侵,并且将包括军队数量和地形在内的6类数据融合到二维空间中。ODonoghue绘制的图表对使用胰岛素治疗的细胞进行了可视化。它看上去像一个时钟,连续不断的磷酸化事件绕着细胞呈顺时针方向移动。图表还描绘了细胞中的蛋白质位置以及它同其他分子作用因素的关系。
ODonoghue表示,从可视化中获得的一个主要见解是细胞如何对胰岛素迅速作出响应。在这个过程中,很多变化会在最初15秒内发生。“这个圈子里的很多人都被这种突然性震惊了。”
ODonoghue希望别人也能利用该方法描绘其他动态事件,比如细胞周期。同时,他已经创建了针对该做法的网上指南。不过,就目前来说,“你不得不做很多手工调整”。
计算机视觉
并非只有从细胞和分子水平研究生命的生物学家手头有太多数据。根据估测,超过80%的地球生物体未被命名。很多寻找新生命形式的分类学家,无论是在热带雨林、海底,还是在地下室的植物标本馆中,都会找到一些未被命名的生物体。
澳大利亚联邦科学与工业研究组织昆虫学家、该国生物地图集机构主任John La Salle是正在利用被称为计算机视觉的3D建模技术的一位科学家。该软件最初是基于工厂机器人和火星探测器研发出来的。如今,它可以利用诸如甲虫或恐龙骨头等物体的数字摄影图像创建数字模型。从这些3D模型中,计算机能自动测量被用于断定某个生物体如何同其他物种以及同一物种的其他成员存在关联的标本特性。
La Salle的团队正利用计算机视觉更好地描绘澳大利亚生物多样性的特征。其他人则利用该技术对植物标本馆和自然历史博物馆的收藏品进行数字化。“如果我们的目标是改变在地球上发现生物多样性的方式,就不得不尝试创新。”La Salle表示。
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