Vyuˇzit´ı velkoploˇsn´e vizualizace v neurovˇed´ach
Jan Fousek Fakulta informatiky, Masarykova univerzita
3. ˇcervna 2015
Osnova • vizualizace v´ ysledk˚ u anal´yzy experiment´aln´ıch
mˇeˇren´ı • prohl´ıˇ zen´ı velkoobjemov´ych hrub´ych dat • modelovac´ı platforma The Virtual Brain
Aneb proˇc jsem nadˇsen´y z toho, ˇze SAGE2 je zaloˇzen´y na webov´ych technologi´ıch. 2 of 26
Experiment´aln´ı data Magnetick´a rezonance (MRI) • 3D strukturn´ı, 4D funkˇ cn´ı data • n´ızk´ e ˇcasov´e, vysok´e prostorov´e rozliˇsen´ı ◦ cca 100k voxel˚ u, vz. f. 0.6 Hz
Elektroencefalografie EEG • skalpov´ e, nebo intrakrani´aln´ı elektrody • vysok´ e ˇcasov´e, n´ızk´e prostorov´e rozliˇsen´ı ◦ 30-200 kan´al˚ u, vz. f. 250 Hz - 20 kHz 3 of 26
Anal´yza: v´yzkumn´e ot´azky Neurovˇedn´ı pˇr´ıklady • kter´ e ˇc´asti mozku se u´ˇcastn´ı dan´e kognitivn´ı funkce • jak se liˇ s´ı funkˇcn´ı konektivita pacient˚ us neurodegenerativn´ım onemocnˇen´ım Metodologick´e pˇr´ıklady • jak z hrub´ ych dat odstranit ˇsum a artefakty • jak uchopit a interpretovat multidimenzion´ aln´ı data a zodpovˇedˇet neurovˇedn´ı ot´azky 4 of 26
Role SAGE: prezentace v´ysledk˚ u Probl´em mezioborov´ych t´ym˚ u • l´ ekaˇri, matematici, psychologov´e, ... • pro interpretaci v´ ysledk˚ u nutn´a u´ˇcast vˇsech • obt´ıˇ zn´e pˇredat, jak jsme se od hrub´ych dat dostali ke konr´etn´ım v´ysledk˚ um a co znamenaj´ı SAGE2 • moˇ znost prezentace vˇsech krok˚ u anal´yzy z´aroveˇn • ipython notebook: efektivn´ı prezentace, moˇ znost interaktivity 5 of 26
Pˇr´ıklad: s´ıt’ov´a anal´yza Mozek jako komplexn´ı s´ıt’ • uzly – oblasti mozku, hrany – funkˇ cn´ı vazba • umoˇ znˇuje popsat strukturu vazeb v mozku Jednotliv´e kroky • korelace klidov´ e aktivity mezi oblastmi • vytvoˇren´ı s´ıtˇ e a vypoˇcten´ı metrik • statistick´ a anal´yza rozd´ıl˚ u mezi skupinami 6 of 26
Uk´azka ipython notebooku
...
7 of 26
Komplexn´ı s´ıtˇe: nejen neurovˇedy Siln´y metodologick´y apar´at • vˇ ern´a reprezentace komplexn´ıch syst´em˚ u • identifikace d˚ uleˇzit´ych uzl˚ u, komunitn´ı struktury, . . . • dynamick´ e procesy na s´ıti, v´yvojov´e modely ˇ Rada aplikac´ı • biologie: proteinov´ e interakce, genov´a exprese • ekonomie: svˇ etov´a obchodn´ı s´ıt’, dodavatelsk´e ˇretˇezce, podnikov´e s´ıtˇe • sociologie: online soci´ aln´ı s´ıtˇe, sciometrie 8 of 26
Komplexn´ı s´ıtˇe na SAGE Exploratorn´ı anal´yza • interaktivn´ı pr´ ace se s´ıt´ı • v´ ypoˇcet popisn´ych metrik • vizualizace pˇr´ımo na s´ıti ◦ barva, velikost uzl˚ u a hran
SAGE • umoˇ znˇuje zobrazit vˇetˇs´ı s´ıtˇe • (prozat´ım) omezen´ e moˇznosti interakce 9 of 26
Komplexn´ı s´ıtˇe: uk´azka
...
10 of 26
Vizualizace ˇcasov´ych ˇrad: motivace • nov´ a akviziˇcn´ı aparatura s vysokou vzorkovac´ı • • • •
frekvenc´ı (aˇz 22 kHz, cca 250 kan´al˚ u) kontinu´aln´ı z´aznamy (napˇr. pacienti s epilepsi´ı) datov´e objemy v ˇr´adu jednotek TB vizu´aln´ı kontrola st´ale nenahraditeln´y krok pˇredzpracov´an´ı interaktivn´ı pr´ace na jednom PC nemoˇzn´a
11 of 26
Zvolen´y pˇr´ıstup: u´rovnˇe pˇribl´ıˇzen´ı Obecnˇe: • technika zn´ am´a napˇr. z obrazov´ych dat (mapy) • na z´ akladˇe rozliˇsen´ı zobrazen´ı a rozsahu v´yˇrezu se vyb´ır´a nejbliˇzˇs´ı redukovan´a podoba podkladov´ych dat ˇ Casov´ e ˇrady • redukce pomoc´ı maxima a minima • zachov´ av´a extr´emn´ı hodnoty (artefakty) • umoˇ znˇuje odhadnout trendy 12 of 26
Ilustrace u´rovn´ı pˇribl´ıˇzen´ı
...
13 of 26
Pˇredzpracov´an´ı Pˇredpoˇc´ıt´an´ı redukce • extrakce min/max hodnot pˇri jednom pr˚ uchodu souborem • v porovn´ an´ı s p˚ uvodn´ım souborem pouze logaritmick´e nav´yˇsen´ı velikosti Zp˚ usob uloˇzen´ı • samostatn´ y soubor • dodateˇ cn´y dataset v existuj´ıc´ım hdf5 souboru 14 of 26
Implementace Prototyp pro 4k displej • diplomov´ a pr´ace – proof of concept • implementov´ ano v Pythonu Nov´y SAGE: • vznikne nov´ a implementace zaloˇzen´a na webov´ych technologi´ıch • samostatn´ a aplikace + knihovna pro integraci do existuj´ıc´ıch aplikac´ı 15 of 26
Simulace: The Virtual Brain Motivace: • studium funkce lidsk´ eho mozku pomoc´ı matematick´ych model˚ u neuron´aln´ıch populac´ı The Virtual Brain • obs´ ahl´a neuroinformatick´a platforma • simulaˇ cn´ı j´adro + webov´e GUI • n´ astroje pro anal´yzu v´ysledk˚ u 16 of 26
TVB: sestaven´ı simulace Stavebn´ı kameny simulace • model lok´ aln´ı populaˇcn´ı dynamiky a jeho parametry • topologie a vlastnosti propojen´ı neuron´ aln´ıch populac´ı (konektivita) • stimulus • modely mˇ eˇric´ıch modalit (EEG, fMRI) TVB obsahuje GUI pro nastaven´ı komplikovan´ych vstup˚ u a vizualizaci v´ystup˚ u. 17 of 26
Lok´aln´ı model: f´azov´y portr´et
18 of 26
Glob´aln´ı konektivita
19 of 26
Kortik´aln´ı povrchov´a konektivita
20 of 26
EEG model
21 of 26
fMRI model
22 of 26
SAGE pro prezentaci Detailn´ı zobrazen´ı vˇsech aspekt˚ u simulace: • v´ yvoj stavov´ych promˇenn´ych v jednotliv´ych uzlech ◦ 90 – 200.000 uzl˚ u, jednotky aˇz des´ıtky promˇenn´ych • sign´ aly s mˇeˇr´ıc´ıch modalit, sumarizaˇcn´ı statistika
Prezentace simul´atoru jako takov´eho • opˇ et probl´em interpretace v mezioborov´em t´ymu • souˇ casn´e zobrazen´ı vˇsech ˇc´ast´ı simul´atoru v´yraznˇe usnadn´ı vysvˇetlen´ı jeho princip˚ u a ovl´ad´an´ı 23 of 26
Shrnut´ı Vizualizaˇcn´ı stˇena s vysok´ym rozliˇsen´ım n´am umoˇzn´ı • efektivnˇ ejˇs´ı spolupr´aci v mezioborov´ych t´ymech pˇri interpretaci v´ysledk˚ u komplexn´ıch anal´yz empirick´ych dat • prohl´ıˇ zet velkoobjemov´e EEG z´aznamy • pˇrehlednˇ e prezentovat komplexn´ı simulaˇcn´ı prostˇred´ı
24 of 26
Dˇekuji za pozornost
25 of 26
Zdroj obr´azk˚ u
Dokumentace The Virtual Brain: • http://docs.thevirtualbrain.com/basic/ link_user_guide.html
26 of 26
