가시적 배아 프로젝트

Visible Embryo Project

가시배아프로젝트(VEP)는 1990년대 초 미국 국립건강의학박물관의 발달해부학센터와 일리노이 대학의 생물의학시각화연구소(BVL)의 공동작업으로 탄생한 다기관, 다분야 연구 프로젝트입니다.「하이 퍼포먼스 컴퓨팅과 통신(HPCC)의 최첨단 테크놀로지를 사용해 분산형 바이오 구조 데이타베이스의 개발을 위한 소프트웨어 전략을 책정해, 이러한 툴을 실장해, 통상의 인간 [1]발달과 비정상적인 인간 발달에 관한 다차원 데이터의 대규모 디지털 어카이브(archive)를 작성합니다.」이 프로젝트는 건강 정보학, 교육 멀티미디어 및 생물의학 영상 [2][3][4]과학 분야에서 BVL의 다른 연구와 관련이 있습니다.이후 수십 년 동안 VEP 협력자 명단에는 전 세계 12개 이상의 대학, 국립 연구소 및 기업이 포함되었습니다.

이 프로젝트의 초기(1993) 목표는 유전자 발현의 3차원 형태학적 매핑을 위한 도구와 시스템을 만들고 인간 게놈 프로젝트의 데이터와 유기체의 형태학적 맥락 내에서 유전체 발현 활동의 다차원적 위치를 상호 연관시키는 것을 가능하게 하는 것이었다.이는 1990년대 후반 VEP 공동 연구자들이 Spatial transcriptomics를 [5][6]위한 최초의 시스템을 발명하는 계기가 되었다.VEP 연구진이 개척한 다른 분야에는 초기 웹 기술, 클라우드 컴퓨팅, 블록 체인, 가상 보조 기술 등이 있습니다.

초기 역사

VEP는 Michael Doyle이 지휘하는 UIC Biomedical Visualization Laboratory와 Adrianne Noe가 지휘하는 국립보건의학박물관(NMHM)의 인체발달해부센터(Human Developmental Anatomy Center)가 공동으로 1992년에 만들어졌습니다.도일은 미국 국립 의학 도서관의 '보이는 인간 프로젝트'의 감독위원회에 임명되었지만, 그 자료를 입수하기까지는 몇 년이 걸릴 것이다.인간의 해부학적 구조에 관한 고해상도 볼륨 데이터의 다른 소스를 찾다가 NMHM에 있는 카네기 인간배아학 [7]컬렉션을 발견했다.2003년 노벨상 수상자인 폴 라우터버 박사의 연구실에서 자기공명현미경(MRM) 방법을 연구하던 중 안식년 동안.도일은 VEP를 위한 계획을 세우고 닥터와 함께 일했어요초기 [8][9]공동작업자로 참여할 저명한 연구자 그룹을 모집할 수 없습니다.

이 프로젝트의 주요 목표는 바이오메디컬 사이언스의 [10][11][12][13][14][15]현재 문제에 고속, 고성능 컴퓨팅 및 통신을 적용하기 위한 새로운 기술의 개발과 기존 기술의 개선을 위한 테스트베드를 제공하는 것이었습니다.

데이터.

초기 작업의 대부분은 현미경 슬라이드에서 직렬 단면 재구성을 생성하고 표면 데이터뿐만 아니라 NMHM 샘플에서 체적 데이터를 추출하는 것이었습니다.인간 배아를 통한 일련의 현미경 단면적(Cernegie Collection 기부자들이 1890년대와 1970년대 사이 준비)은 시스템의 다양한 구성 요소를 설계하고 구현하기 위한 샘플 이미지 데이터로 사용되었다.이러한 영상은 디지털화되고 처리되어 배아 해부학을 나타내는 3D 복셀 데이터 세트를 만들었습니다.그런 다음 [1][3]이러한 데이터에 3D 볼륨 시각화를 위한 표준 기술을 적용할 수 있습니다.조직 준비의 일상적인 조직학적 기법의 원래 현미경 섹션에서 발견된 특정 아티팩트를 수정하려면 이러한 데이터의 영상 처리가 필요했다.

프로젝트의 이후 활동은 배아 데이터 외에도 NMH 수집, 초고해상도 조직학 [16]이미지 및 가시적 인간 프로젝트를 통해 획득한 3차원 성인 이미지 데이터를 사용할 것이다.

콜라보레이션

VEP는 UIC의 Michael Doyle, UCSF, 프로젝트 창시자 Adrianne Noe, 국립보건의학박물관장 Robertley 등 국내외 저명한 과학자가 참여한 광범위한 공동 연구 프로그램이 되었습니다.전신 CT 스캐너의 발명가, UIUC의 Paul Lauterbur, MRI의 개척자이자 노벨상 수상자, LSU의 Ray Gasser, 저명한 배아학자, 오리건 보건과학 대학의 Kent Thornburg, 국제적으로 유명한 발달생물학자, Supercomputer Center의 DICE 그룹의 디렉터, Regan Moore.로렌스 리버모어 국립연구소의 윌리엄 레논, 디지털 이퀴먼트 코퍼레이션의 캠브리지 연구소의 잉그리드 칼봄, 토론토 대학의 드미트리 테르조풀로스.

눈에 띄는 배아 프로젝트 콜라보레이션에는 다음과 같은 것이 있습니다.

뮤리텍

1990년대 중반, 마이클 도일은 "뮤리텍"이라는 프로젝트에서 하버드 대학의 벳시 윌리엄스와 협력하여 쥐 발육에 관한 인터넷 지도책을 만들었다.생쥐 발달의 원형 2차원 및 3차원 컬러 아틀라스가 개발되었으며, 두 개의 배아를 사용하여 13.5 d 정상 생쥐 배아와 같은 연령의 PATCH 돌연변이 배아를 사용했다.파라핀 매립 과정에 도입된 외부 등록 마커 시스템을 가진 배아의 직렬 단면은 표준 조직학적 방법으로 준비되었다.2D 지도책의 경우 일반 배아의 연속된 100개 부분에서 컬러 영상을 디지털화했습니다.3D 지도책의 경우 돌연변이 배아에서 디지털화된 300개의 그레이스케일 영상을 적합하게 변형하여 3D 볼륨 데이터 세트로 재구성했습니다.외부 기준 시스템은 연속 영상의 정확한 등록 기능을 제공하여 3차원 재구성을 용이하게 했으며 정확한 공간 보정 및 왜곡 아티팩트 수정도 가능했습니다.이 지도들은 VEP의 웹 기술을 통해 관련 해부학적 지식 기반과 함께 멀티미디어 온라인 정보 자원에 통합되었고, 연구 생물학자들에게 정상적이고 비정상적인 쥐 배아 [17]발달을 분석하기 위한 일련의 고급 도구를 제공했다.

차세대 인터넷 계약

인간배아학 디지털 라이브러리와 협업 지원 도구 프로젝트는 차세대 인터넷(NGI)의 생물 의학 응용 가능성을 입증하기 위해 1999년에 시작되었습니다.협력자에는 미국 대륙 주변의 8개 기관, George Mason 대학, Eolas, 국군병리학연구소, 존스홉킨스 대학, 로렌스 리버모어 국립연구소, 오리건 보건과학대학 등이 포함되어 있습니다.샌디에이고 슈퍼컴퓨터 센터와 시카고 일리노이 대학교가 있습니다.이 프로젝트는 세계 최대 규모의 인간 배아 저장소 중 하나인 세포 수준의 조직 슬라이드 모음인 AFIP의 국립 건강 및 의학 인간 개발 해부 센터 (HDAC)에 있는 카네기 배아 모음에 근거해 세 가지 주요 응용 분야를 수행했다.

이 어플리케이션에는 다음이 포함됩니다.

(1) 배아 데이터의 디지털화, 큐레이션 및 주석:VEP 팀은 자동화된 디지털 현미경을 사용하여 생산 디지털화 기능을 만들었습니다.데이터는 자동으로 타일링에 등록되고 샌디에이고 슈퍼컴퓨터 센터의 저장소로 전송되며 전문가 수준의 품질 관리를 갖춘 생물의학 자원자 팀이 주석을 달았습니다.2카네기 컬렉션에서 추출한 자료를 사용하여 배아발달 애니메이션을 만들고 인터넷을 통해 스트리밍하거나 다운로드하여 휴대용 전자교실을 만들 수 있는 마스터클래스를 녹화한 분산배아학 교육.3.의료 전문가와 예비 부모 환자가 원거리 [9]전문가의 협력적인 상담을 통해 정상 및 비정상적인 발병 패턴을 검토할 수 있는 임상 관리 계획.

아나트랩

VEP의 대용량 데이터 세트를 대화식으로 탐색할 수 있는 새로운 방법을 지원하기 위해 Michael Doyle은 첫 번째 프로토타입에 Visible Human Project 이미지 데이터를 사용하여 zMap 시스템을 만들었습니다.2011년 Doyle은 Steven Landers, Maurice Pescitelli 등과 협력하여 zMap을 사용하여 사용자가 3D Quicktime VR 시각화의 자동 생성을 위해 원하는 해부학적 구조 세트를 선택할 수 있는 대화형 도구를 만들었습니다.시스템은 총 4600개 이상의 섹션과 전체적으로 700,000개의 주석을 포함하는 2200개 이상의 구조를 가진 Eolas AnatLab 기술 자료에서 사용할 수 있는 리소스를 사용하여 개별 구조에 대한 해부학적 구조 표면 정보에 액세스했습니다.그런 다음 이 표면 정보를 사용하여 포함된 볼륨 영상 데이터를 자동으로 추출하고 데이터를 Osirix 볼륨 영상 시스템과 호환되는 형식으로 변환했습니다.그런 다음 자동화된 스크립트가 선택한 해부학적 구조 그룹의 3D 시각화를 만들 때 Osirix를 제어했습니다.사실적 결과는 원래 Visible Human(가시 가능한 인간) 저온 적출 영상에서 원본 컬러 복셀 정보를 사용하여 3D 재구성 표면을 컬러링하여 얻었습니다.그런 다음 시스템은 사전 정의된 회전 세트를 통해 자동으로 진행되어 Quicktime VR(QTVR) 대화형 동영상을 만드는 데 필요한 영상 프레임 세트를 생성합니다.따라서 해부학 강사는 [18]이 시스템을 통해 교실에서 사용할 맞춤형 대화형 3D 재구성을 빠르고 쉽게 생성할 수 있었습니다.

테크놀로지

Visible Brea Project가 시작된 이후 수십 년 동안, Visible Brea Project에서 수행된 작업은 세계적으로 영향을 미친 몇 가지 중요한 기술 혁신의 개발로 이어졌습니다.

공간전사학

주요 기사: 공간 문자 변환학

비록 오믹스 데이터의 공간 매핑이 VEP의 초기 목표로 설명되었지만, 1999년이 되어서야 네 명의 VEP 협력자들, Michaels, Maurice Pescitelli, 그리고 Betsey Williams는 그들이 "공간 유전체학"[6]이라고 부르는 시스템을 만들기 위해 함께 일했다.오늘날, 이 기술은 Spatial transcriptomics로 알려져 있다.2001년 미국 특허출원에 따르면,[6] 그들의 시스템은 "오늘날의 마이크로어레이 도구에 의해 가능하게 된 광범위한 유형의 생물학적 활동 분석을 이용할 수 있는 탐색적 연구를 지원하는 방식으로 유전자 발현 데이터를 수집할 필요성"을 해결했다.또한 "이러한 유형의 데이터를 대량으로 수집할 수 있는 기술, 생물학적 활동 패턴에 대한 탐색적 조사를 가능하게 하는 기술..."의 필요성... 유전자 발현 데이터를 볼륨 시각화 환경과 같이 유용하고 이해하기 쉬운 방식으로 상관시키는 방법...그 어느 때보다 광범위한 유전자 유형에 걸쳐 더 많은 양의 유전자 발현 데이터를 수집할 수 있게 되었습니다."

그들은 그들의 시스템을 유전체 활동의 공간 분석의 줄임말인 SAGA라고 명명했다.관련 미국 특허, 7,613,571,[6]7,894,997[19] 및 10,011,[20]864에 기술된 바와 같이 SAGA 시스템은 조직 생물학적 활동의 다차원적 형태학적 재구성을 가능하게 하며 "생물 조직 표본을 다차원적으로 촬영하여 형태학적 재구성을 가능하게 한다."동일한 조직 검체가 규칙적인 래스터 어레이에서 물리적으로 샘플링되므로 조직 검체의 각 치수에 걸쳐 규칙적인 다차원 매트릭스 패턴으로 조직 검체를 채취할 수 있습니다.각 샘플은 분리되고 코드화되어 나중에 특정 다차원 래스터 어레이 좌표와 상관될 수 있으며, 따라서 조직 샘플에서 샘플의 원래 사전 샘플링 형태학적 위치와의 상관관계를 제공한다.다음으로 각 조직 샘플을 광범위한 생물학적 활성 방법으로 분석하여 해당 샘플에 대한 다수의 생물학적 기능 특성(mRNA 등)에 대한 정보를 제공한다.그 결과 래스터 기반의 생물학적 특성 데이터는 이미지 데이터의 원래 다차원 형태학적 매트릭스에 공간적으로 매핑될 수 있습니다. ... 그 결과 상관된 다차원 공간 데이터 세트에 대해 다양한 유형의 분석이 수행될 수 있습니다."

공간 [21]문자 변환학은 2021년 1월 네이처에 의해 "2020년 올해의 방법"으로 선정되었다.

클라우드

주요 기사:클라우드 컴퓨팅

1993년 Doyle 박사는 UCSF 지식관리센터(CKM)의 책임자가 되었습니다.Doyle의 CKM 그룹은 VEP에 필요한 계산 능력을 제공하는 기반 소프트웨어와 하드웨어를 개발하기 위해 인터넷을 [10]통해 원격 클라이언트 서버 볼륨 시각화를 수행하기 위한 새로운 패러다임을 설계했습니다.여기에는 분산된 이기종 컴퓨팅 엔진의 네트워크 클러스터(클라우드)를 통해 시각화를 원격으로 계산하기 위한 시스템을 구축하고 이러한 엔진에 사용자 인터페이스 제어 메시지를 전달하기 위한 계산을 조정하는 작업이 포함되었습니다.클라우드 컴퓨터가 렌더링된 새로운 시각화를 생성하고 결과 뷰를 사용자의 데스크톱으로 스트리밍하는 동시에 스트리밍된 데이터를 델타 변환 및 압축하여 지연 시간이 낮은 [22]연결에서 성능을 최적화합니다.

사용자에게 시스템의 복잡성을 숨기기 위해 NCSA Mosaic 웹[23] 브라우저의 초기 버전 중 하나를 변경하여 인터랙티브 클라우드 컴퓨팅 애플리케이션을 자동으로 시작하고 웹 페이지에 내장하여 실행할 수 있도록 했습니다.따라서 모든 사용자는 VEP에서 웹 문서를 로드하기만 하면 되며, 프로젝트의 [24]다차원 데이터 세트를 정적으로 표현하는 대신 즉시 대화식으로 탐색할 수 있습니다.

1993년 11월, CKM의 VEP 연구 그룹은 최초의 웹 기반 클라우드 애플리케이션 플랫폼인 이 시스템을 Xerox PARC에서 [25]약 300명의 Bay Area SIGWEB 회원으로 구성된 회의에서 시연했습니다.

오늘날 이 기능은 "클라우드"라고 불립니다.VEP 팀의 작업은 웹이 어디에 있든 간에 사용자에게 풍부한 정보 리소스를 제공할 수 있는 가능성을 열어주었고, [26]그 결과 수십억 달러 규모의 산업이 탄생했습니다.

zMap

주요 기사:이미지 맵

Doyle 박사는 이러한 복잡한 생물의학 볼륨 데이터 세트 내에서 탐색하는 방법에 보다 직접적으로 초점을 맞추기 시작했고 데이터 세트 내에서 형태학적 구조의 의미적 정체성을 매핑하고 이러한 매핑을 웹의 하이퍼미디어 링크 메커니즘과 통합하는 시스템을 개발했습니다.이를 통해 최초의 3차원 웹 이미지 맵 시스템이 만들어졌고, 90년대 이후 [27][28]생물의학 교육과 연구를 위한 다양한 온라인 대화형 참조 시스템을 만드는 데 사용되었다.

블록 체인

주요 기사:블록 체인

대규모 협업 지식 기반에 대한 과제 중 하나는 장기간에 걸쳐 데이터의 무결성을 보장하는 방법입니다.중앙 검증 기관의 신뢰에 의존하는 표준 암호화 방법은 해킹, 데이터 침해, 내부자 사기 및 인증 기관 자체의 소멸 가능성 등 데이터 손상을 초래할 수 있는 다양한 요인에 취약합니다.VEP 데이터 수집의 이 문제를 해결하기 위해 Doyle 박사는 Transient-Key 암호화라고 불리는 새로운 유형의 암호화 시스템을 개발했습니다.이 시스템은 시스템의 사용자가 중앙 권한을 신뢰할 필요 없이 데이터 무결성을 검증할 수 있도록 하며, 최초의 정시그니처 블록체인 시스템을 대표하여 나중에 Bitcoin 시스템을 만들 수 있게 하였다.2000년대 중반, 이 테크놀로지는 신뢰할 수 있는 [29][30]타임스탬프의 ANSI ASC X9.95 표준으로 채택되었습니다.

가상 어시스턴트

주요 기사:가상 어시스턴트

2000년대 중반 이후 VEP 팀은 디지털 음성 및 텍스트 통신 시스템을 활용하여 지리적으로 분산된 팀원 간의 커뮤니케이션을 촉진하고 있습니다.이러한 통신의 효율성을 높이기 위해 Michael Doyle과 Steve Landers는 협업하여 최초의 AI 기반 모바일 가상 보조 시스템인 Skybot 시스템을 개발했습니다.스카이봇은 인공지능의 힘과 유연성을 이용해 메시징 시스템 사용을 획기적으로 확대했다.Skybot을 사용하면, 착신 전화나 채팅 메세지에 대해서, 다양한 프로그램 가능한 응답을 작성할 수 있다.시스템은 다양한 통신 및 사용자 컨텍스트 이벤트에 대한 자동 응답을 자동으로 트리거하도록 구성할 수 있는 상태 시스템을 통합했습니다.이를 통해 사용자는 놀라울 정도로 광범위하고 강력한 모바일 통신 운영 자동화 기능을 제공받았으며, 현재는 전 세계에 널리 보급되어 있는 모바일 인텔리전트 어시스턴트 제품 카테고리를 개척했습니다.[31][32]

현황

공간 오믹스의 예술과 과학을 지원하고 지속적으로 발전시키기 위해 혁신적인 온라인 협업 환경에서 대규모 지식 기반과 고급 분석 도구를 결합한 국가 자원을 창출하기 위해 가시적 배아 프로젝트 확대에 필요한 자금을 확보하는 계획이 진행 중이다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크