Multiscale harmonization and semantic integration of biomedical data enable biological insights through immersive exploration

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, eine Stadt zu verstehen, indem Sie eine flache, zweidimensionale Karte betrachten. Sie sehen die Straßen und die Gebäude, aber Sie können die Höhe der Wolkenkratzer nicht fühlen, die Tiefe der U-Bahn-Tunnel nicht spüren oder wie ein einzelner Mensch in die riesige Menge passt. Stellen Sie sich nun vor, dieselbe Stadt sei tatsächlich ein menschlicher Körper, und anstatt nur Straßen gäbe es in ihr das Zusammenwirken von Billionen winziger Zellen in Organen wie der Leber oder dem Gehirn. Dies ist die Herausforderung, vor der die moderne Biologie steht. Wissenschaftler sammeln enorme Mengen an Daten über diese Zellen – wo sie sind, was sie tun und wie sie miteinander kommunizieren – aber meistens sind sie darauf angewiesen, diese Informationen auf flachen Computerbildschirmen zu betrachten. Das Problem ist, dass der menschliche Körper ein dreidimensionales Puzzle ist, das riesige Distanzen umfasst: von der Größe eines ganzen Menschen bis hin zur mikroskopischen Größe einer einzelnen Zelle. Um wirklich zu verstehen, wie unser Körper funktioniert, müssen Forscher in der Lage sein, in diese biologische Welt hinein- und herauszuzoomen, um zu sehen, wie eine winzige Zelle mit einem ganzen Organ zusammenhängt und wie dieses Organ in den gesamten Körper passt, während sie gleichzeitig ihr Gefühl für die Größenordnung behalten.

Hier kommt ein neues Projekt namens „HRA: Powers of Ten“ ins Spiel. Stellen Sie sich dies als eine virtuelle Realitäts-Aufzugfahrt (VR) durch den menschlichen Körper vor. Anstatt auf einem flachen Bildschirm zu starren, setzen Wissenschaftler ein VR-Headset auf und betreten eine 3D-Welt, in der sie physisch durch Organe gehen, Zellen mit ihren Händen greifen und hinein- oder herauszoomen können, wie bei einer Fahrt mit einem Aufzug in einem riesigen, umgedrehten Wolkenkratzer. Der Artikel beschreibt, wie das Team dieses immersive Erlebnis entwickelt hat, um Forscher dabei zu unterstützen, komplexe biologische Daten auf eine Weise zu erkunden, die sich natürlich und intuitiv anfühlt. Indem sie trockene Daten in ein 3D-Abenteuer verwandeln, hoffen sie, Muster und Verbindungen zu entdecken, die unsichtbar bleiben, wenn alles auf eine 2D-Seite flachgedrückt wird. Es ist wie der Unterschied zwischen dem Lesen eines Rezepts und dem tatsächlichen Betreten einer Küche, um zu sehen, wie die Zutaten zusammenkommen.

Die Aufzugsfahrt durch Ihren Körper

Der Kernaspekt dieses Papers ist ein Werkzeug namens „Multiscale Elevator System“. Stellen Sie sich den menschlichen Körper als einen massiven Wolkenkratzer vor, der jedoch auf dem Kopf steht. Die oberste Etage ist der gesamte Körper, und während Sie mit dem Aufzug nach unten fahren, repräsentiert jede Etage einen Schritt näher an die mikroskopische Welt. Mit jedem Stockwerk, das Sie nach unten fahren, schrumpfen Sie um den Faktor zehn. Sie beginnen oben und blicken auf 81 verschiedene 3D-Referenzorgane. Während Sie absteigen, halten Sie vielleicht auf der Etage „Großer Darm“ an, dann auf der Etage „Dünndarm“ und schließlich zoomen Sie ganz weit nach unten zur Etage „Zellgruppen“, wo Sie einzelne Zellen und sogar RNA-Moleküle sehen können.

Das Paper präsentiert acht spezifische „Szenen“ oder Stationen dieser Aufzugsfahrt, die jeweils von verschiedenen Wissenschaftlern erstellt wurden, die ihre eigenen Daten beigesteuert haben. Diese Szenen decken fünf verschiedene Organe (Lymphknoten, Gehirn, Dickdarm, Dünndarm und Leber) ab und nutzen fünf verschiedene Arten von hochtechnologischen Labortests (wie CODEX, Visium und SBF-SEM), um Informationen zu sammeln. Das Ziel war nicht nur, ein hübsches Bild zu erzeugen; es ging darum, Wissenschaftlern zu ermöglichen, tatsächlich mit den Daten zu interagieren.

Was Sie in der VR-Welt tun können

Einmal innerhalb der VR-Szenen können Forscher Dinge tun, die auf einem flachen Bildschirm unmöglich sind. Sie können einen Zellcluster greifen, ihn um die eigene Achse drehen, um ihn aus jedem Winkel zu betrachten, und das Gewebe sogar „explodieren“ lassen, um Zellen auseinanderzuziehen und zu sehen, wie sie miteinander verbunden sind.

• Im Lymphknoten: Wissenschaftler nutzten dieses Werkzeug, um „seneszente“ Zellen (Zellen, die aufgehört haben sich zu teilen und altern) zu untersuchen. In 2D ist es schwierig zu erkennen, wie diese Zellen angeordnet sind. Aber in VR konnten sie sehen, dass diese alternden Zellen spezifische Nachbarschaften bilden und mit Immunzellen im 3D-Raum interagieren, was Muster offenbart, die auf einer flachen Karte möglicherweise übersehen würden.
• Im Gehirn: Das Team visualisierte acht verschiedene „Hallmarks“ des Alterns in einem Schnitt aus Hirngewebe. Sie erstellten einen 3D-„Spike-Plot“, bei dem Linien von jedem Zellpunkt nach oben oder unten schießen und zeigen, wie viel jedes Altersmarker vorhanden ist. Dies hilft ihnen zu sehen, ob bestimmte Alterungsmuster in spezifischen Bereichen zusammenclustern.
• Im Darm: Eine Szene kombiniert zwei verschiedene Arten von Mikroskopiebildern, um zu zeigen, wie Immunzellen (wie CD8-T-Zellen) physisch Kontakt zu Nerven im Darm haben. Eine andere Szeneebene legt verschiedene Organisationsebenen übereinander und zeigt, wie sich einzelne Zellen zu Nachbarschaften gruppieren, welche wiederum zu größeren Gemeinschaften werden, was Forschern hilft zu verstehen, wie das Gewebe von unten nach oben aufgebaut ist.
• In der Leber: Hier geht die Ansicht hinunter auf die subzelluläre Ebene. Forscher können die winzigen Strukturen innerhalb der Leberzellen sehen, wie Mitochondrien und das endoplasmatische Retikulum, die in einem 3D-Raum neben dem Gallengang und den Blutgefäßen schweben.

Der „Powers of Ten“-Vergleich

Eine der faszinierendsten Szenen in der App ist ein direkter Vergleich. Sie platziert einen Schnitt aus Dünndarm-Daten, einen Schnitt aus Lymphknoten-Daten, ein Modell eines menschlichen Hautorgans und ein Modell des Burj Khalifa (des höchsten Gebäudes der Welt) im selben Raum. Da die App die wahren Maßstäbe respektiert, wirkt das Gebäude winzig im Vergleich zum menschlichen Körper, und die Lymphknoten-Daten wirken massiv im Vergleich zum Darm-Schnitt. Dies hilft Wissenschaftlern zu begreifen, wie groß die Unterschiede zwischen diesen biologischen Strukturen tatsächlich sind.

Wie es gebaut wurde und was es bedeutet

Das Team hat dies nicht nur zum Vergnügen gebaut; sie haben eine standardisierte Reihe von Regeln (eine „Standard Operating Procedure“) erstellt, damit andere Wissenschaftler ihre eigenen Daten leicht zum Aufzug hinzufügen können. Sie verwendeten eine populäre Game-Engine namens Unity, um die App zu bauen, die nun kostenlos für jeden mit einem Meta Quest VR-Headset zum Download bereitsteht.

Die Autoren weisen jedoch vorsichtig darauf hin, was dieses Werkzeug nicht ist. Sie behaupten nicht, dass diese VR-App die herkömmliche mathematische und computergestützte Analyse ersetzt. Stattdessen schlagen sie vor, dass sie als leistungsstarkes „Suchwerkzeug“ dient. Sie hilft Forschern, interessante Muster zu erkennen und bessere Fragen zu stellen, die sie dann mit strenger Mathematik testen können. Das Paper räumt ein, dass die gezeigten Erkenntnisse hauptsächlich illustrativ und qualitativ sind – sie zeigen, was möglich ist, haben aber noch keine kontrollierten Tests durchgeführt, um zu beweisen, dass die Verwendung von VR Wissenschaftler schneller oder genauer macht als die Nutzung eines regulären Bildschirms.

Es gibt auch Grenzen. Die App funktioniert derzeit am besten auf spezifischen VR-Headsets, und die Erstellung dieser Szenen erfordert ein Expertenteam, das die Daten bereinigt und die 3D-Modelle baut, was sehr arbeitsintensiv sein kann. Aber das Paper deutet an, dass, sobald die Werkzeuge einfacher zu bedienen sind, diese Art der immersiven Exploration zu einem Standardteil dessen werden könnte, wie wir Karten des menschlichen Körpers erstellen – indem wir die unsichtbare, mikroskopische Welt in einen Ort verwandeln, den wir mit unseren eigenen Augen durchwandern und erkunden können.