WebKnossos: Una Herramienta De Anotación Para Datos Microscópicos Electrónicos En 3D

WebKnossos acelera el análisis de datos para neurólogos

Ilustración de células de la corteza cerebral reconstruidas en modo vuelo.

Los investigadores han desarrollado un software de reconstrucción que les permite volar a través del tejido cerebral a una velocidad sin precedentes, ganando una velocidad de aproximadamente 10 veces para el análisis de datos en conectómica.

Los científicos que trabajan en la conectómica, un campo de investigación dedicado a la reconstrucción de redes neuronales en el cerebro, tienen como objetivo mapear completamente los millones o miles de millones de neuronas que se encuentran en los cerebros de los mamíferos. A pesar de los impresionantes avances en microscopía electrónica, el cuello de botella clave para la conectómica es la cantidad de trabajo humano requerido para el análisis de datos. Investigadores del Instituto Max Planck para la Investigación del Cerebro en Frankfurt, Alemania, han desarrollado un software de reconstrucción que permite a los investigadores volar a través del tejido cerebral a una velocidad sin precedentes. Junto con las mentes escalables de la empresa emergente, crearon webKnossos, que convierte a los investigadores en pilotos cerebrales, ganando una velocidad de aproximadamente 10 veces para el análisis de datos en conectómica.

Miles de millones de células nerviosas están trabajando en paralelo dentro de nuestro cerebro para lograr comportamientos tan impresionantes como formular hipótesis, predecir, detectar, pensar. Estas neuronas forman una red muy compleja, en la que cada célula nerviosa se comunica con unas mil más. Las señales se envían a través de cables ultrafinos, llamados axones, que se envían desde cada neurona a sus cerca de mil seguidores.

Solo gracias a los desarrollos recientes en microscopía electrónica, los investigadores pueden apuntar a mapear estas redes en detalle. Sin embargo, el análisis de estos datos de imágenes sigue siendo el cuello de botella clave en la conectómica. Lo más interesante es que los anotadores humanos todavía están superando incluso a los mejores métodos de análisis basados ​​en computadora en la actualidad. Los científicos tienen que combinar el análisis humano y de las máquinas para dar sentido a estos enormes conjuntos de datos de imágenes obtenidos de los microscopios electrónicos.

Vuelo virtual a través del cerebro

Un equipo de investigación dirigido por Moritz Helmstaedter, director del Instituto Max Planck para la Investigación del Cerebro, ha encontrado un método novedoso y altamente eficiente para presentar estas imágenes tridimensionales en el navegador de una manera tan intuitiva que los humanos pueden volar a máxima velocidad a lo largo del cables en el cerebro. Al alcanzar una velocidad sin precedentes de 1.500 micrómetros por hora, los anotadores humanos aún pueden detectar los puntos de ramificación y los caminos tortuosos de los axones (Boergens, Berning et al. Nature Methods, 2017).

“Piense en correr a 100 mph a través de un pueblo con curvas y colinas”, compara Helmstaedter. Los investigadores piensan que esta velocidad de vuelo es la máxima que los humanos pueden lograr en datos microscópicos electrónicos en 3D del tejido cerebral, ya que la visualización se centra en el piloto cerebral, como en un avión, la dirección está altamente optimizada para la navegación egocéntrica. Cuando se combina con el análisis de imágenes basado en computadora, la parte humana del análisis de datos en la conectómica ahora es probablemente máxima, unas 10 veces más rápida que antes.

Un requisito previo clave para este éxito fue el desarrollo de una transmisión de datos eficiente y una predicción de la trayectoria de vuelo. El software webKnossos se desarrolló en estrecha colaboración con una empresa de informática de Potsdam, Alemania, llamada mentes escalables. Durante los cinco años de colaboración, la inusual tarea de hacer que los datos cerebrales en escala de grises se puedan usar en la visualización de datos en línea fue desafiante y gratificante, dice Norman Rzepka, coautor del estudio y uno de los cofundadores de la empresa.

Con el análisis de datos humanos al máximo, los investigadores ahora han vuelto a optimizar la parte informática del análisis, de modo que el valioso tiempo humano se utilice de la manera más eficaz para nuestras preguntas científicas. Solo cuando las máquinas y los humanos colaboran de manera óptima, la conectómica puede prosperar en la neurociencia actual.

Publicación: Kevin M Boergens, et al., “WebKnossos: anotación de datos 3D en línea eficiente para la conectómica”, Nature Methods (2017) doi: 10.1038 / nmeth.4331

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