Student World

Tým pod vedením doc. Dr. Ing. Jana Kybice z katedry kybernetiky a katedry počítačů Fakulty elektrotechnické ČVUT se zabývá vývojem softwarových nástrojů, které umožní genetikům zpracovávat velká množství dat a poodhalit tajemství spojená se vztahy mezi evolucí a individuálním vývojem organismu na molekulární úrovni.
Cílem projektu je vytvoření sady algoritmických nástrojů pro zpracování velkých souborů mikroskopických obrazů, které umožní systematické sledování vzorců genové exprese (tj. zjednodušeně – přepisu jednotlivých aktivních genů do proteinů). To, kdy a za jakých podmínek je který gen aktivní (neboli je exprimován), umožňuje získat informace o jeho funkci v dalších souvislostech. Klíčovou myšlenkou je rozeznání a seskupování genů, které mají v průběhu buněčného vývoje podobný vzorec genové exprese.
Výsledky pak pomohou rozluštit mechanismy genové regulace, které řídí diferenciaci jednotlivých tkání v průběhu časné ontogeneze. To pak následně bude možné využít i pro modelování a výzkum vzniku lidských onemocnění.
Tým Fakulty elektrotechnické ČVUT na projektu spolupracuje s týmem Dr. Pavla Tomančáka z Institutu Maxe Plancka v Drážďanech (MPI), který se dané problematice věnuje ve svém oboru také na špičkové úrovni. Důkaz toho, že viditelná podobnost organismů ve střední fázi embryonálního vývoje zrcadlí hlubší shodu na úrovni genové exprese, publikoval tento kolektiv autorů i v prestižním časopisu Nature, včetně ilustrace na titulní straně.
Tým MPI zmapoval již expresi tisíců genů v průběhu všech fází embryonálního vývoje oblíbeného modelového organismu genetiků, mušky octomilky (Drosophila melanogaster). Nyní pracuje na expresi genů v jiných vývojově aktivních tkáních, konkrétně ve vaječnících a larválních imaginálních terčcích octomilek.
Použité metodiky jsou obdobné, získaná data představují sadu 2D zobrazení genové exprese asi 6000 genů v různých typech imaginálních terčků. Pro zobrazení genové exprese ve vaječnících se používá hybridizace s fluorescenčně značenými RNA sondami a výstupem je 3D mikroskopický obraz.
Z pohledu informatiky bude potřeba řešit řadu navazujících úkolů. Po eventuálním potlačení geometrického či barevného zkreslení a šumu je nejprve potřeba objekt zájmu, například vaječník, na obrázku najít. K tomu se používají metody strojového učení, které se snaží napodobit znalost expertů. Podobným postupem nalezneme ve vajíčku jeho menší, biologicky relevantní podčásti, jako jsou například jednotlivá vajíčka. Dalším úkolem je na základě změn barevnosti uvnitř vaječníku detekovat místa, kde je zobrazen konkrétní aktivní gen.
Jednotlivé objekty zájmu bude potřeba geometricky zarovnat a kompenzovat tak jejich různou orientaci, velikost a tvar. K tomu se hodí registrace obrazů. Metody počítačového vidění používají nejčastěji tzv. klíčové body – těch však v lékařských obrazech obecně mnoho nenajdeme. Druhý klasický přístup je maximalizace globálního podobnostního kritéria, tam ale zase narazíme na problém náchylnosti na uváznutí v lokálním extrému a velké časové náročnosti. Uvědomme si, že je potřeba v přiměřeném čase zpracovat desetitisíce až statisíce velkých 2D nebo dokonce 3D obrázků, které mohou mít i stovky milionů pixelů. V tomto, jakož i v ostatních případech, bude tedy dost možná potřebné vyvinout metody nové. To by mělo být hlavním očekávaným přínosem týmu doc. Kybice.
Výsledné algoritmy by měly být dostatečně zobecnitelné a aplikovatelné na další případy a soubory dat v kontextu různých biologických oborů. Po registraci je možné výsledky z mnoha tisíců objektů v různých stádiích vývoje statistickými metodami shrnout ve formě map genové exprese a kvantifikovat. Závěrem následuje náročná fáze dolování dat, kdy se pokusíme odhalit v datech skryté závislosti. Třeba popsat, jak spolu jednotlivé geny interagují během vývoje octomilky. To může mít důsledek i pro diagnostiku a léčbu v lidské medicíně.
Celý projekt je výrazně multidisciplinární a spojuje více pracovišť. Členem týmu je například doc. Filip Železný z katedry počítačů FEL a odborník na strojové učení doc. Boris Flach. Důležitým výstupem projektu bude volně použitelný software implementující vyvinuté metody, a to ve formě webové služby nebo zásuvného modulu (pluginu), pro biology často používaný software systém pro zpracování obrazu ImageJ.
Projekt je realizován s podporou Grantové agentury České republiky (projekt 14-21421S).

Více na:
http://cmp.felk.cvut.cz/~kybic/
http://www.mpi-cbg.de/en/research/research-groups/pavel–tomancak

Vyšlo v časopise Tecnicall 1/2014 (čtvrtletník ČVUT Praha)

http://www.tecnicall.cz/

autor doc. Dr. Ing. Jan Kybic