Les Chercheurs emploient le spectateur mélangé d'objet immobilier pour concevoir les réseaux biologiques complexes dans 3D

Ils l'appellent « la bille velue. » C'est un nom désavantageux pour les représentations bidimensionnelles d'un réseau biologique complexe, une description d'un système des liaisons et les connexions si complexes et denses qui « elles ressemblent à un grand désordre, » a dit Dmitry Korkin, PhD, professeur agrégé de l'informatique à l'Institut Polytechnique de Worcester (WPI) et directeur du programme de la bio-informatique et de la bio-informatique de l'université.

La mission de Korkin est d'apprivoiser ce désordre en développant des voies neuves de « voir » les réseaux biologiques complexes, les méthodes qui permettent à des chercheurs de se concentrer sur l'information la plus importante et les connexions--pour voir les arbres par la forêt. Les outils de visualisation qu'il développe peuvent retenir la clé sur trouver des barrettes critiques entre les protéines et les gènes liés aux troubles complexes comme le cancer, le diabète, et le trouble de spectre d'autisme.

Les réseaux biologiques Complexes illustrent le défi de la bio-informatique : l'immense quantité de données précieuses produites par des technologies avancées de recherches retient assurément des indices sur des remèdes, mais peut elles sembler impénétrable aux chercheurs recherchant à les analyser. Korkin, dont la recherche se concentre sur la bio-informatique des maladies complexes, de la génomique de calcul, et de la biologie de systèmes, a été longtemps intéressé à trouver des moyens neufs de concevoir les réseaux biologiques, qui peuvent comprendre tout des connexions neurales dans l'esprit humain à toutes les interactions entre les protéines dans une cellule de levure. Il a dit il croit qu'il a trouvé la solution en technologie qui a été initialement envisagée comme amélioration pour des jeux vidéo et le divertissement.

Pour plus qu'une année, Korkin et son équipe de recherche avaient utilisé le Système de Microsoft HoloLens pour étudier les réseaux d'interaction de protéines qui comprennent des mutations associées avec des affections génétiques complexes. Le système, un type de spectateur mélangé d'objet immobilier, produit les projections holographiques qui semblent flotter aux remarques fixes avant le spectateur. Car il a expliqué cette année aux participants aux Systèmes Intelligents pour la Conférence de Biologie Moléculaire et la Conférence de Cold Spring Harbor sur la Biologie de Systèmes, Korkin croit les offres de technologie une artère neuve passionnante à une compréhension plus profonde des réseaux il est notoirement difficile concevoir que.

« Il est bon que nous puissions collecter des informations sur ces réseaux avec des technologies de plus en plus précises, mais quand vous essayez de les analyser visuellement, vous réalisez qu'elles sont à côté d'impossible avec des moyens conventionnels, » Korkin avez dit. Le manque de techniques adéquates de visualisation gêne non seulement la compréhension des réseaux complexes, il contraint la recherche, dit-il, puisque les connexions et les relations les plus signicatives et les plus importantes dans ces réseaux peuvent ne pas être tout à fait apparentes.

Il y a Quelques années, Korkin a obtenu son regard initial chez le HoloLens, une technologie qui, pour la première fois, a semblé offrir les capacités qu'il avait recherchées. Le dispositif est un ensemble « de glaces intelligentes » ces prennent l'indication visuelle et la projettent dans l'espace devant l'utilisateur. À La Différence des lunettes de réalité virtuelle, qui sont conçues pour bloquer à l'extérieur la réalité et pour mettre l'utilisateur à un monde artificiel, le HoloLens emploie la réalité mélangée pour fusionner une visualisation holographique générée par ordinateur avec le monde réel. Ainsi, les études de Korkin de réseaux semblent flotter au-dessus de la table dans son bureau, lui permettant de marcher autour et « voyez- » les de tous les côtés.

En 2016 Korkin a reçu deux trousses de HoloLens de précoce-release conçues pour des révélateurs de $$etAPP. Depuis lors, avec le chercheur post-doctoral Pavel Terentiev, PhD, et une équipe des étudiants de troisième cycle et des étudiants préparant une licence, il avait travaillé pour prendre des données sur les réseaux biologiques réels que son laboratoire avait recherché et pour les représenter en tant qu'objectifs d'un tridimensionnel dans le monde réel utilisant le HoloLens.

« Le réseau est une structure de données très commune, » Korkin a dit. Les « informaticiens Se sont attaqués aux réseaux pour des âges. Le problème avec les réseaux biologiques qu'ils sont incroyablement complexes, avec beaucoup d'information est bourré dans les structures très denses. Il est presque impossible de concevoir correctement ces réseaux avec les formes conventionnelles et bidimensionnelles de la représentation. Quand I a vu la première fois de premiers prototypes de la technologie qui deviendrait le HoloLens, Je me suis rendu compte que ceci pourrait être la voie idéale d'agir l'un sur l'autre avec ces réseaux. »

Parmi les types de réseau étudiés dans le Laboratoire de Korkin sont les réseaux de la maladie, composés des gènes et des protéines associés avec des affections génétiques complexes, telles que le cancer, le diabète, et le trouble de spectre d'autisme. « Ces réseaux mettent en boîte des centaines incluses de milliers de gènes et des protéines transportant une pléthore de mutations, » Korkin a dit. « Notre élan est d'employer l'information système comme cadre pour fusionner ensemble des informations sur les propriétés de ces gènes et protéines et leurs fonctionnements dans un effort pour voir comment les différentes mutations affectent le système entier. Ceci peut nous aider à comprendre les mécanismes moléculaires fondamentaux affectés par les mutations et les conséquences possibles. »

Korkin dit que le HoloLens le facilitera pour établir ces rapports. Un projet en cours emploie la technologie pour explorer les connexions innombrables entre les protéines impliquées dans le cancer du sein--un exemple du genre « de bille velue » qu'il essaye d'apprivoiser. Dans le Laboratoire de Korkin, un utilisateur glisse sur le dispositif, qui semble un peu comme une version futuriste des verres de sûreté de laboratoire. Soudainement un alignement en trois dimensions de billes colorées reliées par des lignes semble planer dans le ciel au milieu de la salle. Les billes et les lignes sont des noeuds et des connexions dans le réseau, représentant les protéines et les interactions matérielles entre les protéines. Tandis Qu'il flotte dans l'espace, le réseau semble enraciné dans un endroit plusieurs pieds hors de l'étage. Pendant Que l'utilisateur marche autour de l'affichage, il peut voir les noeuds et les connexions des cornières variées.

Atteignant à l'extérieur, l'utilisateur peut pincer son pouce et index ensemble, comme si s'emparant du réseau, et le tourne, droit et gauche, et en haut et en bas, pour introduire différentes pièces dans la vue. Utilisant des gestes ou des commandes vocales, l'utilisateur peut mettre en valeur les noeuds particuliers et puis appeler des informations sur eux, tels que la structure de différentes protéines ou les emplacements des mutations particulières. Quand un autre utilisateur met un deuxième HoloLens, elles peuvent explorer le réseau ensemble car il se repose apparemment entre elles.

« Ce n'est pas simplement un outil de visualisation, » Korkin a dit. « C'est un outil pour la recherche interactive d'information. Il nous permet de poser sur le réseau une foule de données relatives, y compris l'information structurelle et la présence des mutations. De cette façon ce devient un objectif intelligent qui intègre l'information et l'alimente de nouveau au chercheur avec un certain nombre d'options suggérées. En comportant les algorithmes qui encapsulent des principes de base, nous pouvons produire une visualisation intelligente qui peut aider pour recenser les éléments d'un réseau au lequel les chercheurs devraient prêter l'attention--les choses critiques qu'ils devraient vérifier d'abord. »

Korkin dit qu'il espère porter cette capacité pour concerner un programme de recherche génomique en cours, supporté par une récompense 2015 de $768.000 du National Science Foundation, dans lequel il recherche les régions du génome qui ont été économisées en travers de la substance et en travers des millions d'années. Une meilleure compréhension de ces segments, longs éléments multiespèces identiques appelés, ou Limettes, qui sont susceptibles de remplir des fonctionnements de base et indispensables dans la cellule, peut fournir des indices neufs au rôle de la génétique dans le développement normal et au début de la maladie.

« Nous voudrions employer le HoloLens pour tracer l'information que nous avons découverte utilisant nos algorithmes avancés, qui nous permettront de commencer à établir un atlas complet de ces éléments--le premier de son genre, » il a dit. « Il y aura des milliers de ces éléments, et nous aurons les moyens de commencer à les analyser. Nous pourrons les concevoir au niveau de chromosome et de génome, apportant l'information sur le fonctionnement des éléments de codage et de non-codage, leurs positions mutuelles, le fait que certains de ces éléments se produisent dans les copies multiples et les autres sont seuls, et ainsi de suite.

« L'objectif est de fusionner différentes formes de l'information et de rechercher des configurations, pour les choses qui sont inhabituelles ou anormales. En nous permettant de travailler avec l'ensemble de données complet, que nous simplement ne pouvons pas ne faire d'aucune autre voie parce que la densité de l'information est trop élevée pour comprendre, le HoloLens rendra ce procédé plus intuitif et plus instructif. »

Pour réaliser entièrement les avantages du HoloLens, Korkin dit que lui et son équipe devront trouver des moyens de fonctionner en dedans--ou développez les techniques pour surmonter--certaines des limitations actuelles de la technologie, y compris la limite sur le nombre d'objectifs il peut afficher en même temps (une limite bien ci-dessous les dizaines de milliers de noeuds dans les réseaux Korkin étudie). « Il est particulier pour que les technologies neuves aient des goulots d'étranglement. J'ai sans doute la technologie évoluerai et ceci deviendra moins de délivrance, mais dans le même temps nous pouvons faciliter ceci en développant les algorithmes qui nous permettent de faire ce que nous voulons faire. »

Korkin dit qu'il voit des grandes opportunités en avant pour la technologie de HoloLens, qu'il croit peut grand accélérer le rythme de la découverte dans beaucoup de domaines en le rendant moins encombrant et moins long pour voir des relations entre les données.

« Cet outil peut être de valeur particulière quand il s'agit de fonctionner avec des données très complexes, » il a dit, « pour ce que nous avons apprendre encore comment développer les algorithmes. En pareil cas, nous devons accumuler notre intuition, et c'est où le HoloLens peut devenir un outil critique. Nous tous sommes accoutumés à traiter un monde de la 3D, et cette technologie transforme les systèmes complexes en objectifs véritablement en trois dimensions que nous pouvons agir l'un sur l'autre avec naturellement et voir des voies entièrement neuves. »

Source : https://www.wpi.edu/news/taming-hairy-ball-wpi-computer-scientists-use-mixed-reality-visualize-complex-biological