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

Immagina di cercare di comprendere una città guardando una mappa piatta, bidimensionale. Puoi vedere le strade e gli edifici, ma non puoi percepire l'altezza dei grattacieli, la profondità dei tunnel della metropolitana o come una singola persona si inserisca nella folla immensa. Ora, immagina che quella stessa città sia in realtà un corpo umano e che, invece di semplici strade, tu stia cercando di capire come trilioni di minuscole cellule lavorino insieme all'interno di organi come il fegato o il cervello. Questa è la sfida che la moderna biologia sta affrontando. Gli scienziati stanno raccogliendo enormi quantità di dati su queste cellule: dove si trovano, cosa stanno facendo e come comunicano tra loro, ma di solito sono bloccati nel guardare queste informazioni su schermi piatti di computer. Il problema è che il corpo umano è un puzzle tridimensionale che si estende su distanze enormi: dalle dimensioni di una persona intera fino alle dimensioni microscopiche di una singola cellula. Per comprendere veramente come funziona il nostro corpo, i ricercatori hanno bisogno di un modo per zoomare dentro e fuori questo mondo biologico, vedendo come una minuscola cellula si relazioni con un intero organo, e come quell'organo si inserisca nell'intero corpo, il tutto mantenendo il senso della scala.

È qui che entra in gioco un nuovo progetto chiamato "HRA: Powers of Ten". Pensatelo come un viaggio in ascensore in realtà virtuale (VR) attraverso il corpo umano. Invece di socchiudere gli occhi davanti a uno schermo piatto, gli scienziati indossano un visore VR e si immergono in un mondo 3D dove possono camminare fisicamente attraverso gli organi, afferrare le cellule con le mani e zoomare dentro o fuori come se stessero prendendo un ascensore in un gigantesco grattacielo invertito. Il documento descrive come il team abbia costruito questa esperienza immersiva per aiutare i ricercatori a esplorare dati biologici complessi in un modo che sembri naturale e intuitivo. Trasformando i dati aridi in un'avventura 3D, sperano di individuare schemi e connessioni che sono invisibili quando tutto viene appiattito su una pagina 2D. È come la differenza tra leggere una ricetta e camminare effettivamente in una cucina per vedere come gli ingredienti si combinano tra loro.

Il viaggio in ascensore attraverso il tuo corpo

L'idea centrale di questo articolo è uno strumento chiamato "Multiscale Elevator System" (Sistema dell'Ascensore Multiscala). Immaginate il corpo umano come un enorme grattacielo, ma al contrario. Il piano superiore è il corpo intero e, scendendo con l'ascensore, ogni piano rappresenta un passo verso il mondo microscopico. A ogni piano che scendete, vi rimpicciolite di un fattore dieci. Iniziate dall'alto, guardando 81 diversi organi di riferimento 3D. Mentre scendete, potreste fermarvi al piano "Intestino Crasso", poi al piano "Intestino Tenue" e infine scendere fino al piano "Gruppi Cellulari", dove potete vedere le singole cellule e persino le molecole di RNA.

L'articolo presenta otto "scene" specifiche o tappe di questo viaggio in ascensore, ognuna creata da diversi scienziati che hanno contribuito con i propri dati. Queste scene coprono cinque diversi organi (linfonodo, cervello, intestino crasso, intestino tenue e fegato) e utilizzano cinque diversi tipi di test di laboratorio ad alta tecnologia (come CODEX, Visium e SBF-SEM) per raccogliere informazioni. L'obiettivo non era solo creare una bella immagine; era permettere agli scienziati di interagire effettivamente con i dati.

Cosa si può fare nel mondo VR

Una volta all'interno delle scene VR, i ricercatori possono fare cose che sono impossibili su uno schermo piatto. Possono afferrare un gruppo di cellule, farle ruotare per vederle da ogni angolazione e persino "esplodere" il tessuto per separare le cellule e vedere come siano connesse.

• Nel Linfonodo: Gli scienziati hanno usato questo strumento per osservare le cellule "senescenti" (cellule che hanno smesso di dividersi e stanno invecchiando). In 2D, è difficile vedere come siano disposte queste cellule. Ma in VR, potevano vedere che queste cellule che invecchiano formano quartieri specifici e interagiscono con le cellule immunitarie nello spazio 3D, rivelando schemi che potrebbero essere persi su una mappa piatta.
• Nel Cervello: Il team ha visualizzato otto diversi "segnali" dell'invecchiamento in una sezione di tessuto cerebrale. Hanno creato un "grafico a picchi" 3D dove le linee si protendono verso l'alto o verso il basso da ogni punto cellulare, mostrando quanta parte di ogni marcatore di invecchiamento è presente. Questo aiuta a vedere se determinati schemi di invecchiamento si raggruppano in aree specifiche.
• Nell'Intestino: Una scena combina due diversi tipi di immagini microscopiche per mostrare come le cellule immunitarie (come le cellule T CD8) tocchino fisicamente i nervi nell'intestino. Un'altra scena sovrappone diversi livelli di organizzazione, mostrando come le singole cellule si raggruppino in quartieri, che poi si raggruppano in comunità più grandi, aiutando i ricercatori a capire come il tessuto sia costruito dal basso verso l'alto.
• Nel Fegato: Qui, la vista scende al livello sub-cellulare. I ricercatori possono vedere le minuscole strutture all'interno delle cellule del fegato, come i mitocondri e il reticolo endoplasmatico, che fluttuano nello spazio 3D accanto al dotto biliare e ai vasi sanguigni.

Il confronto "Powers of Ten"

Una delle scene più incredibili dell'app è un confronto diretto. Colloca una sezione di dati dell'intestino tenue, una sezione di dati del linfonodo, un modello di un organo della pelle umana e un modello del Burj Khalifa (l'edificio più alto del mondo) tutti nella stessa stanza. Poiché l'app rispetza la vera scala delle cose, l'edificio appare minuscolo rispetto al corpo umano, e i dati del linfonodo appaiono enormi rispetto alla sezione dell'intestino. Questo aiuta gli scienziati a comprendere quanto siano grandi le differenze tra queste strutture biologiche.

Come è stato costruito e cosa significa

Il team non ha costruito questo strumento solo per divertimento; ha creato un insieme standard di regole (una "Procedura Operativa Standard") in modo che altri scienziati possano facilmente aggiungere i propri dati all'ascensore. Hanno utilizzato un popolare motore di gioco chiamato Unity per costruire l'app, che è ora disponibile gratuitamente per chiunque possieda un visore VR Meta Quest.

Tuttavia, gli autori tengono precisare cosa questo strumento non sia. Non sostengono che questa app VR sostituisca la necessità di analisi matematica e informatica tradizionale. Al contrario, suggeriscono che agisca come un potente "osservatore". Aiuta i ricercatori a vedere schemi interessanti e a porre domande migliori che possono poi testare con una matematica rigorosa. L'articolo ammette che le intuizioni mostrate sono principalmente illustrative e qualitative: mostrano cosa è possibile, ma non hanno ancora eseguito test controllati per dimostrare che l'uso della VR renda gli scienziati più veloci o più accurati rispetto all'uso di uno schermo normale.

Ci sono anche dei limiti. L'app attualmente funziona meglio con specifici visori VR, e creare queste scene richiede un team di esperti per pulire i dati e costruire i modelli 3D, il che può richiedere molto lavoro. Ma l'articolo suggerisce che, man mano che gli strumenti diventeranno più facili da usare, questo tipo di esplorazione immersiva potrebbe diventare una parte standard di come costruiamo le mappe del corpo umano, trasformando il mondo invisibile e microscopico in un luogo in cui possiamo camminare ed esplorare con i nostri stessi occhi.