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