Vyuzitı velkoplosne vizualizace vneurovedach

Jan Fousek

Fakulta informatiky, Masarykova univerzita

3. cervna 2015

Osnova

• vizualizace vysledku analyzy experimentalnıchmerenı

• prohlızenı velkoobjemovych hrubych dat

• modelovacı platforma The Virtual Brain

Aneb proc jsem nadseny z toho, ze SAGE2 je zalozenyna webovych technologiıch.

2 of 26

Experimentalnı data

Magneticka rezonance (MRI)

• 3D strukturnı, 4D funkcnı data• nızke casove, vysoke prostorove rozlisenı

◦ cca 100k voxelu, vz. f. 0.6 Hz

Elektroencefalografie EEG

• skalpove, nebo intrakranialnı elektrody• vysoke casove, nızke prostorove rozlisenı

◦ 30-200 kanalu, vz. f. 250 Hz - 20 kHz

3 of 26

Analyza: vyzkumne otazky

Neurovednı prıklady

• ktere casti mozku se ucastnı dane kognitivnı funkce

• jak se lisı funkcnı konektivita pacientu sneurodegenerativnım onemocnenım

Metodologicke prıklady

• jak z hrubych dat odstranit sum a artefakty

• jak uchopit a interpretovat multidimenzionalnı dataa zodpovedet neurovednı otazky

4 of 26

Role SAGE: prezentace vysledku

Problem mezioborovych tymu

• lekari, matematici, psychologove, ...

• pro interpretaci vysledku nutna ucast vsech

• obtızne predat, jak jsme se od hrubych dat dostalike konretnım vysledkum a co znamenajı

SAGE2

• moznost prezentace vsech kroku analyzy zaroven

• ipython notebook: efektivnı prezentace, moznostinteraktivity

5 of 26

Prıklad: sıt’ova analyza

Mozek jako komplexnı sıt’

• uzly – oblasti mozku, hrany – funkcnı vazba

• umoznuje popsat strukturu vazeb v mozku

Jednotlive kroky

• korelace klidove aktivity mezi oblastmi

• vytvorenı sıte a vypoctenı metrik

• statisticka analyza rozdılu mezi skupinami

6 of 26

Ukazka ipython notebooku

. . .

7 of 26

Komplexnı sıte: nejen neurovedy

Silny metodologicky aparat

• verna reprezentace komplexnıch systemu

• identifikace dulezitych uzlu, komunitnı struktury, . . .

• dynamicke procesy na sıti, vyvojove modely

Rada aplikacı

• biologie: proteinove interakce, genova exprese

• ekonomie: svetova obchodnı sıt’, dodavatelskeretezce, podnikove sıte

• sociologie: online socialnı sıte, sciometrie8 of 26

Komplexnı sıte na SAGE

Exploratornı analyza

• interaktivnı prace se sıtı

• vypocet popisnych metrik• vizualizace prımo na sıti

◦ barva, velikost uzlu a hran

SAGE

• umoznuje zobrazit vetsı sıte

• (prozatım) omezene moznosti interakce

9 of 26

Komplexnı sıte: ukazka

. . .

10 of 26

Vizualizace casovych rad: motivace

• nova akvizicnı aparatura s vysokou vzorkovacıfrekvencı (az 22 kHz, cca 250 kanalu)

• kontinualnı zaznamy (napr. pacienti s epilepsiı)

• datove objemy v radu jednotek TB

• vizualnı kontrola stale nenahraditelny krokpredzpracovanı

• interaktivnı prace na jednom PC nemozna

11 of 26

Zvoleny prıstup: urovne priblızenı

Obecne:• technika znama napr. z obrazovych dat (mapy)• na zaklade rozlisenı zobrazenı a rozsahu vyrezu se

vybıra nejblizsı redukovana podoba podkladovychdat

Casove rady• redukce pomocı maxima a minima• zachovava extremnı hodnoty (artefakty)• umoznuje odhadnout trendy12 of 26

Ilustrace urovnı priblızenı

. . .

13 of 26

Predzpracovanı

Predpocıtanı redukce

• extrakce min/max hodnot pri jednom pruchodusouborem

• v porovnanı s puvodnım souborem pouzelogaritmicke navysenı velikosti

Zpusob ulozenı

• samostatny soubor

• dodatecny dataset v existujıcım hdf5 souboru

14 of 26

Implementace

Prototyp pro 4k displej

• diplomova prace – proof of concept

• implementovano v Pythonu

Novy SAGE:

• vznikne nova implementace zalozena na webovychtechnologiıch

• samostatna aplikace + knihovna pro integraci doexistujıcıch aplikacı

15 of 26

Simulace: The Virtual Brain

Motivace:

• studium funkce lidskeho mozku pomocımatematickych modelu neuronalnıch populacı

The Virtual Brain

• obsahla neuroinformaticka platforma

• simulacnı jadro + webove GUI

• nastroje pro analyzu vysledku

16 of 26

TVB: sestavenı simulace

Stavebnı kameny simulace

• model lokalnı populacnı dynamiky a jeho parametry

• topologie a vlastnosti propojenı neuronalnıchpopulacı (konektivita)

• stimulus

• modely mericıch modalit (EEG, fMRI)

TVB obsahuje GUI pro nastavenı komplikovanychvstupu a vizualizaci vystupu.

17 of 26

Lokalnı model: fazovy portret

18 of 26

Globalnı konektivita

19 of 26

Kortikalnı povrchova konektivita

20 of 26

EEG model

21 of 26

fMRI model

22 of 26

SAGE pro prezentaci

Detailnı zobrazenı vsech aspektu simulace:• vyvoj stavovych promennych v jednotlivych uzlech

◦ 90 – 200.000 uzlu, jednotky az desıtky promennych

• signaly s merıcıch modalit, sumarizacnı statistika

Prezentace simulatoru jako takoveho

• opet problem interpretace v mezioborovem tymu

• soucasne zobrazenı vsech castı simulatoru vyrazneusnadnı vysvetlenı jeho principu a ovladanı

23 of 26

Shrnutı

Vizualizacnı stena s vysokym rozlisenım nam umoznı

• efektivnejsı spolupraci v mezioborovych tymech priinterpretaci vysledku komplexnıch analyzempirickych dat

• prohlızet velkoobjemove EEG zaznamy

• prehledne prezentovat komplexnı simulacnı prostredı

24 of 26

Dekuji za pozornost

25 of 26

Zdroj obrazku

Dokumentace The Virtual Brain:

• http://docs.thevirtualbrain.com/basic/

link_user_guide.html

26 of 26