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

Imagina intentar comprender una ciudad mirando un mapa plano y bidimensional. Puedes ver las calles y los edificios, pero no puedes sentir la altura de los rascacielos, la profundidad de los túneles del metro, ni cómo una sola persona encaja en la multitud masiva. Ahora, imagina que esa misma ciudad es en realidad un cuerpo humano, y que en lugar de solo calles, estás tratando de entender cómo billones de células diminutas trabajan juntas dentro de órganos como el hígado o el cerebro. Este es el desafío que enfrenta la biología moderna. Los científicos están recolectando cantidades masivas de datos sobre estas células: dónde están, qué están haciendo y cómo se comunican entre sí, pero generalmente están atrapados mirando esta información en pantallas de computadora planas. El problema es que el cuerpo humano es un rompecabezas tridimensional que abarca distancias enormes: desde el tamaño de una persona completa hasta el tamaño microscópico de una sola célula. Para comprender verdaderamente cómo funcionan nuestros cuerpos, los investigadores necesitan una forma de acercarse y alejarse de este mundo biológico, viendo cómo una célula diminuta se relaciona con un órgano entero, y cómo ese órgano encaja en el cuerpo completo, todo esto manteniendo su sentido de la escala.

Aquí es donde entra un nuevo proyecto llamado "HRA: Powers of Ten". Piensa en esto como un viaje en un ascensor de realidad virtual (RV) a través del cuerpo humano. En lugar de forzar la vista ante una pantalla plana, los científicos se ponen un visor de RV y entran en un mundo 3D donde pueden caminar físicamente a través de órganos, agarrar células con sus manos y acercarse o alejarse como si estuvieran subiendo o bajando en un ascensor en un gigante rascacielos invertido. El artículo describe cómo el equipo construyó esta experiencia inmersiva para ayudar a los investigadores a explorar datos biológicos complejos de una manera que se sienta natural e intuitiva. Al convertir los datos áridos en una aventura en 3D, esperan detectar patrones y conexiones que son invisibles cuando todo se aplana en una página 2D. Es como la diferencia entre leer una receta y realmente entrar en una cocina para ver cómo se combinan los ingredientes.

El viaje en ascensor a través de tu cuerpo

La idea central de este artículo es una herramienta llamada "Sistema de Ascensor Multiescala". Imagina el cuerpo humano como un enorme rascacielos, pero al revés. El piso superior es el cuerpo completo, y a medida que bajas en el ascensor, cada piso representa un paso más cerca del mundo microscópico. Con cada piso que bajas, te reduces por un factor de diez. Comienzas en la parte superior, mirando 81 diferentes órganos de referencia en 3D. A medida que desciendes, podrías detenerte en el piso del "Intestino Grueso", luego en el piso del "Intestino Delgado" y, finalmente, te acercas por completo hasta el piso de los "Grupos Celulares", donde puedes ver células individuales e incluso moléculas de ARN.

El artículo presenta ocho "escenas" específicas o paradas en este viaje en ascensor, cada una creada por diferentes científicos que contribuyeron con sus propios datos. Estas escenas cubren cinco órganos diferentes (ganglio linfático, cerebro, intestino grueso, intestino delgado e hígado) y utilizan cinco tipos diferentes de pruebas de laboratorio de alta tecnología (como CODEX, Visium y SBF-SEM) para recopilar información. El objetivo no era solo crear una imagen bonita; era permitir que los científicos realmente interactuaran con los datos.

Lo que puedes hacer en el mundo de RV

Una vez dentro de las escenas de RV, los investigadores pueden hacer cosas que son imposibles en una pantalla plana. Pueden agarrar un grupo de células, girarlo para verlo desde todos los ángulos e incluso "explotar" el tejido para separar las células y ver cómo están conectadas.

• En el ganglio linfático: Los científicos utilizaron esta herramienta para observar células "senescentes" (células que han dejado de dividirse y están envejeciendo). En 2D, es difícil ver cómo se disponen estas células. Pero en RV, pudieron ver que estas células que envejecen forman vecindarios específicos e interactúan con células inmunitarias en el espacio 3D, revelando patrones que podrían pasarse por alto en un mapa plano.
• En el cerebro: El equipo visualizó ocho "sellos" diferentes del envejecimiento en un corte de tejido cerebral. Crearon un "gráfico de picos" 3D donde las líneas suben o bajan desde cada punto celular, mostrando cuánto de cada marcador de envejecimiento está presente. Esto les ayuda a ver si ciertos patrones de envejecimiento se agrupan en áreas específicas.
• En el intestino: Una escena combina dos tipos diferentes de imágenes microscópicas para mostrar cómo las células inmunitarias (como las células T CD8) están tocando físicamente los nervios en el intestino. Otra escena superpone diferentes niveles de organización, mostrando cómo las células individuales se agrupan en vecindarios, que luego se agrupan en comunidades más grandes, ayudando a los investigadores a comprender cómo se construye el tejido desde la base.
• En el hígado: Aquí, la vista baja al nivel subcelular. Los investigadores pueden ver las estructuras diminutas dentro de las células hepáticas, como las mitocondrias y el retículo endoplasmático, flotando en el espacio 3D junto al conducto biliar y los vasos sanguíneos.

La comparación "Powers of Ten"

Una de las escenas más asombrosas de la aplicación es una comparación directa. Coloca una sección de datos del intestino delgado, una sección de datos del ganglio linfático, un modelo de un órgano de piel humana y un modelo del Burj Khalifa (el edificio más alto del mundo) todos en la misma habitación. Debido a que la aplicación respeta la escala real de las cosas, el edificio parece diminuto en comparación con el cuerpo humano, y los datos del ganglio linfático parecen masivos en comparación con la sección del intestino. Esto ayuda a los científicos a comprender cuán grandes son las diferencias entre estas estructuras biológicas.

Cómo fue construido y qué significa

El equipo no construyó esto solo por diversión; crearon un conjunto estándar de reglas (un "Procedimiento Operativo Estándar") para que otros científicos puedan añadir fácilmente sus propios datos al ascensor. Utilizaron un motor de juego popular llamado Unity para construir la aplicación, que ahora es gratuita para que cualquiera la descargue con un visor de RV Meta Quest.

Sin embargo, los autores son cuidadosos al señalar lo que esta herramienta no es. No afirman que esta aplicación de RV reemplace la necesidad de análisis matemáticos y computacionales tradicionales. En cambio, sugieren que actúa como un poderoso "detector". Ayuda a los investigadores a ver patrones interesantes y a plantear mejores preguntas que luego pueden probar con matemáticas rigurosas. El artículo admite que los conocimientos mostrados son principalmente ilustrativos y cualitativos: muestran lo que es posible, pero aún no han realizado pruebas controladas para demostrar que el uso de la RV hace que los científicos sean más rápidos o precisos que usando una pantalla normal.

También hay algunas limitaciones. La aplicación funciona mejor actualmente en visores de RV específicos, y crear estas escenas requiere un equipo de expertos para limpiar los datos y construir los modelos 3D, lo cual puede ser mucho trabajo. Pero el artículo sugiere que, a medida que las herramientas sean más fáciles de usar, este tipo de exploración inmersiva podría convertirse en una parte estándar de cómo construimos mapas del cuerpo humano, convirtiendo el mundo invisible y microscópico en un lugar por el que podemos caminar y explorar con nuestros propios ojos.