من Voxels إلى المعرفة: دليل عملي للتجزئة مجمع المجهر الإلكتروني 3D-البيانات

الهدف العام من التجربة التالية هو تقسيم الميزات ذات الأهمية من مجموعات بيانات المجهر الإلكتروني ثلاثية الأبعاد المعقدة للخلايا والأنسجة لتحليل تنظيمها ثلاثي الأبعاد. ويتم تحقيق ذلك عن طريق جمع مجموعة بيانات تتكون من صور مجهر إلكتروني فردية. ثم يتم إعادة بناء البيانات ثنائية الأبعاد الخام إلى حجم ثلاثي الأبعاد وتصفيتها لتقليل الضجيج وتعزيز الميزات ذات الأهمية، وكخطوة ثانية، يتم تقييم الخصائص الموضوعية والذاتية للبيانات لتحديد الخيار الأفضل لطريقة التقسيم.

بعد ذلك، يتم إجراء إما التجريد اليدوي، أو توليد النماذج، أو التتبع اليدوي للميزات المراد دراستها. كما يتم تنفيذ تقسيم آلي قائم على الكثافة أو تقسيم آلي مخصص لاستخلاص الميزات المراد دراستها. وتظهر النتائج النماذج النهائية المقسمة ثلاثية الأبعاد للميزات المراد دراستها، وذلك بناءً على فرز خصائص الصور والأهداف الشخصية لاختيار نهج التقسيم الأمثل.

ستساعد المقارنة بين النهج المختلفة لمجموعات البيانات المتنوعة في اختيار استراتيجية التجزئة الصحيحة. ونحن نستعرض طرقاً مختلفة لاستخراج الميزات ذات الأهمية. ونظراً لتعقيد أحجام المجهر الإلكتروني تحت الخلوية، فإن لكل نهج مزاياه ومحدداته.

بشكل عام، قد يواجه الأشخاص المبتدئون في عملية التجزئة صعوبة لأن تحديد النهج الأمثل لمجموعات البيانات المختلفة ليس واضحاً دائماً. إلى جانب تذمر طلاب الدراسات العليا. ستقوم Tai بتوضيح الإجراء بصفتها باحثة ما بعد الدكتوراه في BU.

في مختبري، يستخدم أميت حسن، وهو باحث مشارك في مختبري، وخواكين كوريا، وهو مهندس أنظمة حاسوب في مختبري، عملية التوليد اليدوي للنماذج المجردة عندما يكون الهدف الوحيد هو إنشاء نموذج هندسي لإجراء قياسات هندسية. للبدء، قم باستيراد حجم البيانات إلى برنامج مناسب. وفي هذا العرض التوضيحي، يتم استخدام برنامج kymera لتوليد النماذج المجردة يدويًا.

أولاً، اختر "file" ثم "open" لفتح مربع حوار فتح الملفات، وانتقل إلى موقع الملف الخاص بالخريطة المطلوبة. بعد ذلك، قم بتشغيل عارض الحجم (volume viewer) واختر "features display style" لعرض البيانات بأنماط تصيير مختلفة. قم بضبط عتبة العرض عن طريق سحب الشريط العمودي في المدرج التكراري الموجود في نافذة عارض الحجم.

تنقل عبر الحجم ثلاثي الأبعاد لتحديد المنطقة ذات الصلة بالتجزئة، وقم بقص حجم فرعي أصغر إذا لزم الأمر. في مربع حوار عرض الحجم، اختر "features" (الميزات)، ثم "subregion selection" (تحديد المنطقة الفرعية)، وانقر مع السحب لإنشاء صندوق مستطيل حول المنطقة المستهدفة. بعد ذلك، ضع علامات على طول الميزة محل الاهتمام وقم بتوصيلها بوصلات عند الاقتضاء حتى يكتمل النموذج.

لتحقيق ذلك من شريط قوائم مستعرض الحجم (volume viewer)، اختر أدوات (tools)، ثم مربع حوار تتبع الحجم (volume tracer dialogue). لفتح مربع حوار تتبع الحجم من هناك، اختر ملف (file)، ثم مجموعة علامات جديدة (new marker.Set). في مربع حوار تتبع الحجم، قم بتفعيل الخيارات التالية: الفأرة (mouse)، ووضع العلامات على الكثافة العالية (place markers on high density)، ووضع العلامات على البيانات (place markers on data)، ونقل المستويات (planes move)، وتغيير حجم العلامات (ize markers)، وربط العلامة الجديدة بالعلامة المحددة (link new marker to selected marker)، وربط العلامات المحددة بالتتابع (link consecutively selected markers).

ثم في نافذة متتبع الحجم (volume tracer)، اختر "وضع العلامات باستخدام الزر الأيمن للفأرة" وأدخل أنصاف أقطار العلامات والروابط. بعد ذلك، انقر بزر الفأرة الأيمن على بيانات الحجم للبدء في وضع العلامات. سيتم توصيل العلامات تلقائياً في مربع حوار متتبع الحجم.

حدد الملف، واحفظ العلامة الحالية. ثم قم بتعيين علامة إغلاق الملف. تعيين. افتح مجموعة علامات جديدة لبدء بناء نموذج لميزة ثانية مرغوبة من ميزات الاهتمام.

استخدم ألواناً متباينة بين مجموعات العلامات لإبراز الاختلافات في الخصائص. يعد التتبع اليدوي للخصائص محل الاهتمام نهجاً يستغرق وقتاً طويلاً، ويُستخدم عندما تكون الكثافة السكانية صغيرة نسبياً وعندما تكون دقة استخراج الخصائص ذات أهمية قصوى. للبدء، قم باستيراد بيانات الحجم إلى برنامج يتوفر على خيارات التتبع اليدوي. البرمجيات.

توفر هذه الإمكانية بشكل عام أداة فرشاة رسم أساسية. في هذا العرض التوضيحي، يتم استخدام برنامج Amira للصور المقطعية الكبيرة. اختر فتح البيانات (open data) ثم انقر بزر الماوس الأيمن على اسم الملف rec.

بعد ذلك، انقر فوق format، واختر raw كـ large disc data. اضغط موافق (Okay)، ثم قم بالتحميل (load). اختر معاملات البيانات الخام (raw data parameters) المناسبة من معلومات الترويسة (header information) وانقر فوق موافق (okay).

قم بالتبديل والحفظ باسم ملف جديد. ملف am. بالنسبة لتسلسل الصور ثلاثية الأبعاد، اختر فتح البيانات وحدد اسم الملف tiff أو اسم الملف dot mrmc.

ثم قم بالتبديل، وانقر بزر الماوس الأيمن واختر "حفظ باسم" (save as) وسمِّ الملف am. في نافذة عرض ثلاثية الأبعاد (3D viewer)، اختر "المقطع المتعامد" (ortho slice) لفتح ملف الصورة. ثم استخدم شريط التمرير الموجود في الأسفل للتنقل عبر المقاطع لاقتصاص البيانات الكبيرة التي تم فتحها كبيانات قرص كبيرة (large disc data).

قم بتبديل اسم الملف في نافذة الحوض، ثم انقر بزر الماوس الأيمن واختر الوصول إلى الشبكة (lattice access). أدخل حجم المربع المطلوب، وحرّك المربع إلى المنطقة المطلوبة ثم انقر فوق تطبيق. احفظ الملف الجديد.

بعد ذلك، قم بإنشاء ملف تقسيم عن طريق تفعيل الملف في نافذة التجميع (pool window). ثم انقر بزر الماوس الأيمن واختر حقل تسمية الملصقات (labeling label field). سيتم إنشاء ملف جديد وتحميله تلقائياً في علامة تبويب محرر التقسيم وكذلك في تجميع الكائنات (object pool).

استخدم أداة فرشاة التلوين لتتبع حدود الميزة الأولى محل الاهتمام. قم بتغيير حجم الفرشاة حسب الرغبة، ثم استخدم مؤشر الماوس لتتبع حدود الميزة محل الاهتمام. قم بتعبئة المنطقة التي تم تتبعها باستخدام الاختصار F. أضف التحديد من خلال النقر على الزر الذي يحمل رمز الزائد.

تتبع السمة المراد دراستها عبر جميع المقاطع وكرر عملية التجزئة بالتتبع اليدوي. قم بإنشاء تصيير سطحي للتصور والتحليل النوعي أو الكمي الأساسي وفقاً لتعليمات دليل مستخدم البرنامج في علامة تبويب تجمع الكائنات (object pool)، وقم بتفعيل تسميات أسماء الملفات في نافذة التجمع. ثم انقر بزر الفأرة الأيمن واختر surface gen.

حدد خصائص السطح المطلوبة وانقر على "تطبيق" (apply). سيتم إنشاء ملف جديد باسم surf في القائمة (pool). ولعرض المجلد المجزأ، قم بتفعيل الملف surf في نافذة القائمة.

بعد ذلك، انقر بزر الماوس الأيمن واختر عرض السطح (surface view). قم بإنشاء سطح للتصور والتحليل النوعي كما هو موضح في البروتوكول النصي. يُستخدم التجزئة الآلية القائمة على الكثافة على مجموعات البيانات ذات التباين أو الوضوح أو التزاحم المتنوع لاستخراج الكثافات المطلوبة، تمهيداً لبدء استيراد بيانات الحجم إلى برنامج مجهز بأداة العصا السحرية لتحديد العتبة (thresholding magic wand) أو أدوات أخرى قائمة على الكثافة للتجزئة الآلية.

كما هو متبع في تقنية التتبع اليدوي للمعالم ذات الأهمية، يُستخدم برنامج Amira في هذا العرض التوضيحي للمعالم التي تفتقر إلى حواف مميزة بوضوح. استخدم أداة العتبة (threshold tool) عن طريق اختيار أيقونة العتبة. قم بتحريك المنزلق لضبط الكثافة ضمن النطاق المطلوب، بحيث يتم تعتيم المعالم ذات الأهمية فقط.

انقر على زر التحديد، ثم أضف تحديداً بالنقر على الزر الذي يحتوي على رمز الزائد أو باستخدام اختصار لوحة المفاتيح. قم بتوليد سطح للتصور والتحليل النوعي كما هو موضح في البروتوكول النصي. يمثل هذا نهجاً رابعاً.

يمكن استخدام التجزئة الآلية المصممة خصيصًا لتجزئة مجموعات البيانات الكبيرة بكفاءة، ولكنها تتطلب معرفة ببرامج مثل matlab. يرجى الرجوع إلى الفيديو التكميلي حول التجزئة المصممة خصيصًا للحصول على تعليمات مفصلة خطوة بخطوة حول هذه الطريقة. تم تجزئة ست مجموعات بيانات نموذجية باستخدام أربعة نهج: توليد النموذج المجرد يدويًا، والتتبع اليدوي للميزات ذات الاهتمام، والتجزئة الآلية القائمة على الكثافة، والتجزئة الآلية المصممة خصيصًا. وقد كان توليد النموذج المجرد يدويًا فعالاً بالنسبة للراتنج.

كان الغرض من التصوير المقطعي المصبوغ والمدمج للأهداب المجسمة هو إنشاء نموذج لأغراض كمية بدلاً من استخلاص كثافات دقيقة للتصوير المقطعي المصبوغ والمدمج في الراتنج لجدار خلية نباتية. وقد كان التقسيم الآلي القائم على الكثافة هو الأكثر فعالية لاستخلاص السليلوز بسرعة من خلال العديد من المقاطع، بينما تطلبت الطرق اليدوية جهداً أكبر في عدد قليل فقط من مقاطع البيانات.

أنتج توليد النماذج التجريدية اليدوي الثلاثية الأنيبيبية الدقيقة في التصوير المقطعي لمرحلة الهدب الحركي، بينما استخلص النهجان الآليان الكثافات بسرعة أكبر، وبالتالي كانا مفضلين نظرًا لشكل الميتوكوندريا الناتج عن حزم الأيونات المركزة، والمجهر الإلكتروني الماسح للخلايا الظهارية الثديية. وقد وفر التتبع اليدوي النتيجة الأكثر دقة، كما سمحت الكثافة السكانية المنخفضة بإجراء تقسيم سريع. وبالنظر إلى الحجم الكبير الذي كان يتطلب التقسيم، ثبت أن التقسيم الآلي المصمم خصيصًا هو الأكثر كفاءة لتقسيم بيانات البكتيريا المستخرجة من المجهر الإلكتروني الماسح لوجه الكتلة المتسلسل.

على الرغم من استهلاكها للوقت، كانت الطريقة الوحيدة لاستخراج صور المجهر الإلكتروني الماسح بالحزمة الأيونية المركزة لأغشية الخلايا الظهارية في الثدي هي التتبع اليدوي. ويمهد تطوير مناهج التجزئة الطريق للباحثين في هذا المجال الناشئ من بيولوجيا الخلية التركيبية لاستكشاف وتحديد البنية الخلوية ثلاثية الأبعاد على مستوى المجمعات الجزيئية الكبيرة، والعضيات، والخلايا في مجموعة واسعة من المزارع الخلوية، أو مزارع العضوانيات، أو الكائنات النموذجية. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية اختيار وتطبيق نهج التجزئة الأمثل لمجموعة البيانات الخاصة بك.