Mózgi oraz większość rejestrowanych w nich danych różnych modalności są trójwymiarowe, ale atlasy mózgów, pełniące funkcję wspólnego odniesienia neuroanatomicznego dla społeczności naukowej, tradycyjnie składają się z serii płaskich, obrysowanych fotografii. Porównywanie nowo zebranych danych z takimi atlasami może być zatem niełatwe. Polski węzeł INCF ma na to sposób – 3D Brain Atlas Reconstructor [Rekonstruktor trójwymiarowych atlasów mózgów], inaczej 3dBAR – narzędzie, które potrafi przekształcić niemalże każdy atlas do postaci trójwymiarowej.

W 2006 roku Daniel Wójcik oraz jego grupa w polskim węźle INCF powstającym przy Instytucie Biologii Doświadczalnej rozpoczynała analizę danych elektrofizjologicznych uzyskanych w pracowni prof. Andrzeja Wróbla. Danymi były nagrania lokalnych potencjałów polowych z przodomózgowia sześciu szczurów, które Wójcik chciał zintegrować. Najlepiej w kontekście trójwymiarowym, ponieważ nagrania wykonano na trójwymiarowej siatce elektrod. Niestety, w owym czasie nie było dostępnego trójwymiarowego atlasu mózgu szczura. Były natomiast atlasy dwuwymiarowe.

Uświadomiłem sobie, jak bardzo pożyteczne byłoby narzędzie pełniące rolę nakładki na istniejące dwuwymiarowe atlasy i pozwalające na ich transformację do atlasu trójwymiarowego. Użytkownik dysponujący legalnie nabytym atlasem mógłby, na swoje potrzeby, wykonać trójwymiarowe rekonstrukcje struktur dostępnych w komercyjnym atlasie 2D – wyjaśnia Daniel Wójcik.

Z braku dostatecznych zasobów, pomysł nie mógł być zrealizowany od razu. Jednak Daniel nie mógł powstrzymać się przed dzieleniem się swoją ideą przy okazji seminariów czy wystąpień. Dwa lata później jeden ze studentów Wydziału Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW, Grzegorz Furga, podjął się wyzwania w ramach swojej pracy magisterskiej. Prototyp oprogramowania był podstawą do uzyskania finansowania na w ramach grantu POIG oraz zatrudnienia nowych pracowników. Jednym z nich był Piotr Majka, obecnie doktorant oraz główna osoba rozwijająca projekt atlasowy w Instytucie Nenckiego. Celem projektu był, miedzy innymi, rozwój technologii oraz usług służących do rekonstrukcji oraz dystrybucji danych dla wielu atlasów.

Jak na ironię, trudności techniczne w przetwarzaniu kolejnych atlasów okazały się mniejsze niż samo uzyskanie danych do przetwarzania. Duża część powszechnie używanych atlasów jest chroniona prawami autorskimi przez wydawców. Rozwiązaniem okazała się współpraca ze ScalableBrainAtlas (http://scalablebrainatlas.incf.org), usługą internetową służącą do wizualizacji oraz dystrybucji danych z kilkunastu atlasów. Współfinansowany przez INCF ScalableBrainAtlas jest rozwijany przez Rembrandta Bakkera w holenderskim węźle INCF (http://www.incf.org/about/who-we-are/nodes) mieszczącym się w Donders Institute for Brain, Cognition and Behaviour. Ponieważ atlasy udostępniane w ScalableBrainAtlas są otwarte, polska grupa natychmiast zyskała mnóstwo materiału do opracowania, natomiast ScalableBrainAtlas zyskał dostęp do trójwymiarowych rekonstrukcji oraz wizualizacji swoich atlasów wykonanych przy pomocy 3dBARa.

Przygotowują estetyczne oraz bardziej realistyczne trójwymiarowe powierzchnie. Można teraz użyć usługi 3dBAR aby wyświetlić wiele struktur, nadać im przezroczystość czy też stworzyć złożone wizualizacje. Dla mnie to jest bardzo użyteczne, ponieważ mogę użyć ich mechanizmów do wizualizacji struktur w atlasach udostępnianych przez ScalableBrainAtlas. Zatem obydwie strony mocno skorzystały na tej współpracy – mówi Rembrandt Bakker

Udostępniamy zrekonstruowane atlasy z powrotem Rembrandtowi. Na jego stronie jest wtyczka łącząca się z naszą usługą i wyświetlająca wizualizacje żądanych struktur. Użytkownicy mogą również przejść do naszej strony i dokładniej przyjrzeć się strukturom czy atlasom. Bardzo wygodne jest również to, że możemy wymieniać dane w obydwu kierunkach – jeżeli udostępnimy jakiś atlas, Rembrandt ma do niego natychmiastowy dostęp. – uzupełnia Piotr Majka

Grant podróżny (http://incf.org/community/travel-grants/travel-grant-projects/#piotr-majka-nencki-institute) uzyskany z INCFu pozwolił Piotrowi na tygodniowy wyjazd do Rembrandta. Podczas wizyty zostały opracowane narzędzia do przetwarzania danych udostępnianych przez ScalableBrainAtlas do formatu 3dBARa, który grupa nazywa CAF (Common Atlas Format – Wspólny Format Atlasowy). Artykuł opisujący Wspólny Format Atlasowy oraz działanie narzędzia 3D Brain Atlas Reconstructor ukazał się niedawno w czasopiśme Neuroinformatics (http://www.springerlink.com/content/u5r944671588j442/).

3dBAR składa się obecnie z narzędzia służącego do przekształcania dwuwymiarowych atlasów do postaci trójwymiarowej oraz usługi internetowej dającej praktyczne możliwości eksploracji udostępnionych atlasów i poszczególnych slajdów w oknie przeglądarki. Ponadto udostępnione interfejsy programistyczne umożliwiają wykorzystanie wszystkich zasobów oferowanych przez 3dBAR w innym oprogramowaniu, a jeżeli otwarte usługi są niewystarczające, użytkownik może się zalogować uzyskując możliwość dodatkowych modyfikacji rekonstrukcji struktur.

Udostępniliśmy kluczowe funkcjonalności narzędzia offline jako usługę internetową. Użytkownicy mają możliwość uzyskiwania rekonstrukcji w wielu formatach, przy użyciu rozmaitych potoków obliczeniowych – tłumaczy Piotr Majka

Usługa 3dBAR została zademonstrowana na niedawnych Warsztatach Węzłów INCF, zostanie również zaprezentowana na wrześniowym Piątym Kongresie Neuroinformatyki INCF odbywającym się w Monachium. Jednakże zainteresowani nie muszą czekać do jesieni, mogą korzystać z narzędzia od zaraz. Usługa internetowa dostępna jest pod adresem http://service.3dbar.org, natomiast samo narzędzie można pobrać bezpośrednio ze strony http://3dbar.org lub poprzez GitHub (https://github.com/pmajka/3dbar), Centrum Oprogramowania INCF (http://http://software.incf.org/software/3d-brain-atlas-reconstructor) lub z bazy NITRC (http://www.nitrc.org/projects/bar3d/).

Wszystkie osiągnięcia grupy są z założenia udostępniane na zasadach Open Source łącznie z bieżącym projektem atlasowym – trójwymiarowym, multimodalnym atlasem mózgu oposa laboratoryjnego, w ramach którego planowana jest integracja danych z obrazowania przy pomocy rezonansu magnetycznego oraz danych histologicznych w różnych barwieniach [współpraca z grupą Krzysztofa Turlejskiego, przyp. red.]. Ukończony atlas będzie również udostępniany poprzez infrastrukturę 3dBAR oraz inne, tworzone równolegle, mechanizmy.

Z podobnymi problemami mierzą się naukowcy rozwijający infrastrukturę cyfrowych atlasów mózgów i myślę, że są one istotne dla osób zajmujących się różnymi gatunkami zwierząt. Nie robimy tego jako jednorazową demonstrację, mamy nadzieję robić podobne rzeczy dla różnych gatunków i różnych zwierząt – podsumowuje Daniel Wójcik.

Biorąc pod uwagę olbrzymią ilość pracy, którą trzeba włożyć w stworzenie atlasu mózgu, nie ulega wątpliwości, że otwarte dane atlasowe oraz systemy ich dystrybucji dają większy zwrot naukowy w stosunku do zainwestowanych środków. Nie tylko umożliwiając powstanie takich usług jak 3D Brain Atlas Reconstructor czy ScalableBrainAtlas, ale również dlatego, że pozwalają społeczności naukowej wymianę narzędzi oraz udoskonalanie wyników zależnych bezpośrednio od danych.

Źródło: http://www.incf.org/newsroom/stories/polish-node-turns-brain-atlases-three-dimensional