שעון סריקה פרוטוקול ניתוח תמונה: Plugins ImageJ
19 ביוני 2017
מאמר זה מתאר שני תוספים ImageJ חדשניים לניתוח 'שעון סריקה' תמונה. תוספים אלה להרחיב את הפונקציונליות של התוכנית הבסיסית Visual 6 הבסיסית, והכי חשוב, להפוך את התוכנית זמינה לקהילת מחקר גדול על ידי bundling אותו עם ImageJ חינם תמונה ניתוח תוכנה החבילה.
המטרה הכוללת של פרוטוקולי סריקת השעון (clock scan) אלו היא לאפשר אפיון מהיר של עוצמת הפיקסלים הממוצעת בתוך, לאורך הגבול של, ו/או מחוץ לאזורי עניין (ROI) נבחרים. שיטה זו יכולה לסייע במתן תשובות לשאלות מפתח ולהכשיר אנליסטים של תמונות בנושא עוצמת פיקסלים ממוצעת בתוך אזורי עניין ספציפיים. היתרונות העיקריים של טכניקת סריקת השעון כאן הם היכולת להשתמש בה לצורך אפיון מהיר של עוצמת הפיקסלים הממוצעת מהמסלול (orbit) באזור עניין אחד או במספר אזורי עניין.
עבור ניתוח סריקת שעון (clock scan) סטנדרטי, בתפריט File, בתוכנת ImageJ המתאימה, בחרו ב-Open כדי לפתוח קובץ תמונה רלוונטי. לדוגמה, כאן ינותח נתח רקמה עם נוירונים המסומנים עבור חלבון עניין. בחרו בכלי שרטוט מתאים, והקיפו את אזור העניין.
בחרו ב-Plugins ולאחר מכן ב-Clock Scan מתפריט ה-File כדי לפתוח את חלון אפשרויות הפופ-אפ של פרוטוקול סריקת השעון הסטנדרטי. חלון מנהל אזורי העניין (region of interest manager), עם התוואי שנוסף באופן אוטומטי, ייפתח גם הוא. בחלון אפשרויות ה-Plugin, השתמשו בסרגלי הגלילה כדי לשנות את קואורדינטות ה-x וה-y במרכז אזור העניין, בהתאם לצורך.
בהתאם לכמות אזור הרקע מחוץ לאובייקט שתרצו שיכוסה על ידי הסריקה, השתמשו בסרגל הגלילה של הגבלת הסריקה (scan limit) כדי להתאים את גבולות הסריקה. סמנו את תיבות הבחירה של רדיוס ממשי (real radius), חיסור רקע (subtract background), התמרה פולרית (polar transform) ו/או תצוגה עם סטיית תקן (plot with standard deviation), בהתאם לדרישות הניסוי. לאחר מכן, לחצו על OK כדי להפעיל את התוסף.
בסיום הניתוח, השתמש בפקודת list כדי לגשת לנתונים המספריים לצורך ניתוח נוסף. לניתוח סריקת שעון (clock scan) של מספר אזורים, פתח קובץ תמונה המכיל מספר אזורי עניין. לדוגמה, כאן ינותח פאנל של פריימים שצולמו מאותו חתך רקמה, כפי שהודגם זה עתה.
לחצו על Analyze, לאחר מכן על Tools, ואז על Region of Interest Manager והשתמשו בכלי השרטוט המתאים כדי לתחום כל אזור עניין. כלי הקו המקטע (segmented line tool) שימושי לבחירת אזורי עניין לא סימטריים ולסינון סימון רקע. לחצו על Add בחלון ה-Region of Interest Manager כדי להוסיף כל אזור עניין למנהל לאחר בחירתו.
בתפריט Plugins, בחרו ב-Multi Clock Scan כדי לפתוח את חלון הפופ-אפ של אפשרויות הפרוטוקול ואתקנו את הגבלת הסריקה, במידת הצורך. סמנו את תיבות ה-plot with standard deviation ו-/או subtract background, בהתאם לדרישות הניסוי. לאחר מכן, לחצו על OK כדי להפעיל את הפרוטוקול, שיפיק שני חלונות גרף של פלטים.
עבור ניתוח סריקת שעון (clock scan) של ערימת תמונות, פתחו את ערימת התמונות הרלוונטית. כאן, תנותח ערימת תמונות של גנגליון שורש אחורי (dorsal root ganglion) מבודד, המסומן בפלואורסצנט הרגיש לסידן אשר צולם לפני ואחרי גירוי באמצעות אלקטרודה תוך-תאית. סמנו את אזור העניין (region of interest) בתוך ערימת התמונות.
הוסיפו את ערימת התמונות שנבחרה למנהל אזורי העניין (region of interest manager), כפי שהודגם כעת, ובחרו ב-Multi Clock Scan כדי לפתוח את חלון הפופ-אפ של אפשרויות הפרוטוקול. אפסו את הגבלת הסריקה לפי הצורך, וסמנו את התיבות של plot with standard deviation ו/או subtract background, בהתאם לדרישות הניסוי. לאחר מכן, לחצו על OK כדי להריץ את הפרוטוקול, שיפיק שני חלונות גרפים של פלט.
בניתוח מייצג זה של חתך רקמה של נוירונים המסומנים פלואורסצנטית, שורטט אזור עניין (ROI) דרך האות הבהיר של החלבון הנחקר, ובוצע ניתוח סריקת שעון סטנדרטית כדי לאסוף סריקות עוצמה רדיאליות של פיקסלים מהמרכז של אזור העניין ועד לגבול הסריקה שסומן. הסריקות הרדיאליות נורמלו לרדיוס של אזור העניין בכיוון הסריקה. ביצוע ממוצע, כדי להפיק פרופיל עוצמה רדיאלי אינטגרלי, גילה כי רוב החלבון הנחקר נמדד בממברנת הפלסמה של התא.
מאחר שבניתוח זה נבחר תרשים עם סטיית תקן, קווי סטיית התקן האנכיים הצביעו על הפרשי העוצמות בין הפיקסלים של פרופילי הסריקה הרדיאליים האינדיבידואליים במרחק נתון ממוקד הסריקה. בניתוח זה נסרקו מספר אזורי עניין (regions of interest) בתוך דגימת רקמת הנוירונים, כפי שהודגם זה עתה, מה שיצר פרופיל עוצמת פיקסלים אינטגרלי עבור כל אובייקט שנסרק ברצף שבו הוא הוסף למנהל אזורי העניין. כמו כן, נוצר פרופיל עוצמת פיקסלים ממוצע עבור כל אזור עניין שנבחר.
סטיות תקן אלו מייצגות, אם כן, את השונות בין סריקות אינטגרליות של אובייקטים בודדים, ולא בין סריקות רדיאליות בודדות. כאן, בוצע ניתוח של ערימת תמונות (image stack) של נוירון בודד מהגנגליון של השורש האחורי (dorsal root ganglion) שצולם בזמנים שונים, לפני ואחרי גרייה באמצעות אלקטרודה תוך-תאית. בסיום הניתוח, הוצגו פרופיל עוצמת פיקסלים אינטגרלי עבור המופעים הבודדים של האובייקט הנבדק בתמונות שונות בתוך הערימה, ופרופיל עוצמת פיקסלים ממוצע עבור כל מופעי האובייקט.
בנוסף, ניתוח סטיית התקן של ערימת תמונות שנסרקו בשיטת clock scan ממחיש את השונות בנתונים בין הסריקות האינטגרליות לאורך ערימת התמונות. לאחר צפייה בסרטון זה, תהיו בעלי הבנה טובה לגבי אופן מדידת עוצמת פיקסלים באמצעות תוספי clock scan. מטרתנו בפיתוח תוספים אלו הייתה להפוך סוגים אלו של ניתוחי תמונה לזמינים בחינם עבור כל חוקר.
אנו מאמינים כי פרוטוקול סריקת השעון ישמש תחומים רבים של מחקר, לרבות, אך לא רק, יישומים של דימוי ביולוגי, כימי ופיזיקלי. בעודנו ממשיכים לפתח ולהפעיל את תוספי סריקת השעון הללו, נשמח לכל משוב ולהצעות מכל הגורמים המעוניינים בנוגע לשיפור כלים אלה.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מתאר שני תוספים חדשים ל-ImageJ עבור ניתוח תמונות של 'Clock Scan', המשפרים את התוכנית המקורית שנכתבה ב-Visual Basic 6. תוספים אלו הופכים את התוכנית לנגישה לקהילת מחקר רחבה יותר על ידי שילובה בחבילת התוכנה ImageJ.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדע
- ניתוח תמונה
- מדעי המוח
- פיתוח תוכנה
רקע
- פרוטוקולי סריקת שעון (Clock scan) מקלים על אפיון מהיר של עוצמת פיקסלים.
- הם מסייעים למנתחי תמונות להבין את עוצמת הפיקסלים הממוצעת באזורי עניין.
- הטכניקה מאפשרת ניתוח מהיר של אזור בודד או של מספר אזורים.
- ImageJ היא תוכנה חופשית המשמשת באופן נרחב לניתוח תמונות.
מטרת המחקר
- להצגת תוספים חדשים לניתוח תמונה משופר.
- לאספקת כלים למחקרים המאפשרים ניתוח יעיל של עוצמת פיקסלים.
- להרחבת הגישה למתודולוגיית clock scan.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- שימוש בתוכנת ImageJ לצורך ניתוח תמונות.
- בחירת אזורי עניין (regions of interest) באמצעות כלי שרטוט.
- אפיון של עוצמת הפיקסלים הממוצעת בתוך האזורים שנבחרו.
- ניתוח של חיתוכי רקמה המסומנים עבור חלבונים ספציפיים.
תוצאות עיקריות
- הצגת שני תוספים (plugins) של ImageJ לניתוח סריקת שעון.
- פונקציונליות משופרת בהשוואה לתוכנית המקורית.
- נגישות מוגברת עבור חוקרים בתחום.
- הוכחת יעילות בניתוח עוצמת פיקסלים.
מסקנות
- התוספים החדשים משפרים משמעותית את יכולות ניתוח התמונות.
- הם מאפשרים אפיון מהיר של עוצמת הפיקסלים.
- כלים אלו בעלי ערך עבור חוקרים במדעי המוח ובתחומים קשורים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
ניתוח כמותי של תמונות הוא קריטי לגילוי מוקדם ולמחקר תרגומי, והוא מאפשר מדידה מדויקת של מאפיינים מולקולריים או תאיים בדגימות ביולוגיות מורכבות. פרוטוקול סריקת השעון (clock scan), המיושם כתוספי ImageJ, מספק כימות סטנדרטי וניתן לשחזור של פרופילי עוצמת פיקסלים רדיאליים באזור עניין (ROI) בודד או במספר אזורי עניין. יכולת זו תומכת בקבלת החלטות מבוססת נתונים חסונה בנקודות תפנית מרכזיות בשרשראות הפיתוח והמחקר (R&D) של התעשייה הביו-פרמצבטית.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר כימות אובייקטיבי של לוקליזציה והפצה של סמנים ביולוגיים בתוך מדורים תאיים מוגדרים.
- תומך בהסרת סיכונים מכניסטיים על ידי אספקת פרופילי עוצמה מרחביים הניתנים לשחזור עבור מטרות מועמדות.
- מקל על ביצוע ניתוח השוואתי בין תנאים ניסיוניים כדי לספק מידע על רמת הביטחון במטרה ולבצע מיון.
סריקה ופיתוח בדיקות (Assay Development)
- מכין בדיקות מבוססות-תמונה מתוּקפות עבור תהליכי סינון המשכיים על ידי סטנדרטיזציה של ניתוח אזורי עניין (region-of-interest).
- מספק פלטים כמותיים וניתנים לשחזור המתאימים לסינון בעתק גבוה (high-content screening) ולהערכת תרכובות.
- מאפשר ניתוח אצוות של מספר אזורים או ערימות תמונות, ובכך תומך ביכולת הרחבה ובשימוש חוזר בפלטפורמה.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתאימה מדדים כמותיים המופקים מדימות למודלים תאיים או רקמתיים הרלוונטיים למחלה, כאשר הדבר נתמך על ידי ההקשר הביולוגי.
- מספק רצף משלב הגילוי ועד לאישור פרה-קליני על ידי אפשור מדידה עקבית של דינמיקת ביומרקרים מרחבית.
- תומך בהחלטות קידום מותאמות סיכון באמצעות אנליטיקת תמונה כמותית וחזקה.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד
פרוטוקול סריקת השעון (clock scan) משתלב ברצף שבין השלב הגילוי לשלב הפרה-קליני על ידי מתן אפשרות לניתוח תמונות כמותי וסטנדרטי בשלבים מרובים של תהליך העבודה.
- ביולוגיה של הגילוי: תומכת בבדיקת היפותזות ובבירור מסלולים באמצעות פרופיל עוצמה מרחבי.
- סריקה: מספקת פלטים כמותיים הניתנים לשחזור לצורך מוכנות בדיקה והערכת תרכובות.
- אנליטיקה: מספקת פלטים סטטיסטיים, כולל פרופילי ממוצע וסטיית תקן, להשוואה קפדנית בין תנאים.
- מחקר תרגומי: מאפשרת התאמה של נקודות קצה מבוססות תמונה למודלים פרה-קליניים במידת הרלוונטיות.
- שימוש חוזר ארגוני: מציעה יכולת קוד פתוח לשימוש חוזר עבור צרכי ניתוח תמונה מגוונים בצוותי מו"פ.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון בחיזוי ומפחית עמימות מכניסטית במחקרים מבוססי תמונה.
- ערך תפעולי: מבצע סטנדרטיזציה והרחבה של תהליכי עבודה לניתוח תמונות למען הדירות ויעילות.
- ערך אסטרטגי: משפר החלטות של המשך/עצירה (go/no-go) והקצאת הון באמצעות אספקת נתונים כמותיים חסונים.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תעדוף מותאם סיכונים וקידום של נכסי גילוי ונכסים פרה-קליניים.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בניתוח תמונות והכרות עם פלטפורמות ImageJ או Fiji.
- דורש גישה לציוד דימות מתאים ולתשתית מחשוב.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית של בחירת אזורי העניין (ROI) ופרמטרי הניתוח.
- תומך בהתאמה למגוון מודלים ביולוגים ושיטות דימות שונות.
- מוגבל לאזורים בעלי צורה קמורה או אזורים מסגמנטים; מורפולוגיות מורכבות עשויות להצריך תיקוף נוסף.
