Семинары

Объединяя усилия двух лабораторий

18 июня состоялся совместный семинар Лаборатории радиационной биологии и Лаборатории информационных технологий ОИЯИ. В коллаборации идет работа над совместным проектом, направленным на создание информационной системы (ИС) для анализа поведенческих и патоморфологических изменений в центральной нервной системе (ЦНС) при исследовании результатов воздействия ионизирующего излучения и других факторов на биологические объекты. Идея совместного проекта возникла на основе задач, стоящих перед сектором радиационной физиологии ЛРБ, для эффективного решения которых необходимо привлечение современных информационных технологий и ИТ-решений. ИС создается на базе гетерогенной вычислительной платформы HybriLIT (ЛИТ ОИЯИ), имеющей в своем распоряжении как средства для разработки таких систем, так и мощные вычислительные ресурсы суперкомпьютера "Говорун".

В секторе радиационной физиологии изучают радиобиологические эффекты на организменном и клеточном уровнях. Эксперименты проводятся на лабораторных животных (крысы, мыши). Нарушения в ЦНС грызунов после облучения оценивают с помощью специальных установок для анализа поведенческих актов ("Открытое поле", "Т-лабиринт", "Водный лабиринт Морриса" и пр.), а также путем морфологического анализа нервной ткани головного мозга млекопитающих. При работе с современным программным обеспечением (Noldus EthnoVision XT 13.0) были выявлены поведенческие паттерны животных, которые не поддаются автоматическому распознаванию программой на видеоматериалах: груминг, вертикальные и горизонтальные стойки с упором и без, замирания, движения на месте. Ввиду чего специалистами из ЛИТ ведется разработка новых алгоритмов, которые позволят автоматизировать их анализ. Это сократит время обработки экспериментальных данных и улучшит качество детекции за экспериментальными животными в арене установки.

Второй этап, который представляется актуальным автоматизировать хотя бы частично, - морфологический анализ клеток ЦНС. Уже не один год мы занимаемся исследованиями изменений в ЦНС после облучения. Особое внимание уделяем сенсомоторной коре, гиппокампу и мозжечку. Возможности работы с микропрепаратами за микроскопом расширились за счет цифровых камер и специализированных программ (например, ImageJ). Поэтому для морфологического анализа готовятся гистологические препараты, а затем их фотоснимки, которые в дальнейшем анализируются экспертами (проводится качественный и количественный анализ клеток головного мозга). С какими проблемами можно столкнуться на этом этапе? Время. Это очень рутинный и длительный процесс. Подготовка гистологических препаратов может занимать до месяца, а обработка - и до полугода в зависимости от масштаба эксперимента. К этому добавляются субъективность и прочие человеческие факторы, которые важно нивелировать. По завершению обработки видео- и фотоматериалов поведенческого и морфологического этапов исследования делается комплексный анализ результатов. Данные собираются с разных компьютеров в лабораторных комнатах, тетрадей с протоколами, облачных сервисов и т.д. воедино. Это неудобно и занимает время. Все результаты подвергаются статистическому анализу. Для решения всех описанных проблем были поставлены задачи, над которыми мы работаем в рамках совместного проекта двух лабораторий. Этой теме были посвящены первые два доклада сотрудников сектора радиационной физиологии ЛРБ (И.А.Колесникова, Ю.С.Северюхин)

Специалисты ЛИТ уже разработали прототип ИС, которая позволит объединить и структурировать экспериментальные данные различных типов в единое информационное пространство, способное предоставить удобство хранения и доступа к данным. О разработке сервиса на базе платформы HybriLIT было доложено в работах Ю.А.Бутенко и Д.М.Марова. Параллельно на базе методов машинного и глубокого обучения и нейросетевых алгоритмах решаются задачи автоматизации анализа фото- и видеоматериалов. В докладе А.В.Стадника были представлены первые результаты по подбору нейросетевой архитектуры и обучению сверточной нейронной сети U-net, позволяющей идентифицировать клетки головного мозга по размеченным специалистами из ЛРБ фотографиям микропрепаратов нервной ткани. Представлена разрабатываемая программная компонента, которая, используя алгоритмы компьютерного зрения, расширяет функционал автоматической обработки видеоматериалов, - доклад А.С.Булатова. Таким образом будет обеспечено хранение и доступ к экспериментальным данным в удобной для комплексного статистического анализа форме всем участникам эксперимента. Использование в рамках создаваемой ИС нейронных сетей, алгоритмов машинного обучения и компьютерного зрения позволит решить сложные задачи медицинской диагностики и нетривиальные задачи патоморфологов при исследовании гистологических препаратов, снизив временные и энергозатраты и минимизируя человеческий фактор.

Результаты совместной работы были представлены на семинаре в формате видеоконференции, в которой приняли участие более 70 человек из разных стран (Россия, Германия, Швейцария и др.). Доклады сопровождались интересными дискуссиями, в том числе о возможности применения разработок для других групп ЛРБ. Завершился семинар на позитивной ноте: директора обеих лабораторий заявили о поддержке проекта и расмотрели возможности его расширения в будущем.

От всего коллектива выражаем благодарность дирекциям лабораторий за поддержку проекта и возможность сотрудничества.

С материалами работ участников семинара можно ознакомиться по ссылке https://indico-hlit.jinr.ru/event/196/.

Оксана СТРЕЛЬЦОВА,
Инна КОЛЕСНИКОВА