Virtual Fly Brain浏览器和查询界面

摘要

动机：神经科学数据来源果蝇属多样性和差异性使得集成搜索和检索变得困难。这方面的一个主要障碍是缺乏全面和逻辑结构的解剖框架和直观的界面。

结果：我们提供了一个在线资源，为研究和查询苍蝇大脑解剖、表达和遗传数据提供了方便的方法。我们将新开发的成年苍蝇大脑BrainName命名法扩展为一个逻辑结构本体，该本体将一系列已发布的神经元类与它们所支配的大脑区域联系起来。虚拟飞行大脑界面允许用户探索果蝇属通过浏览大脑的3D图像，子区域显示为彩色叠加。集成的查询机制允许从社区数据库中复杂地搜索基础解剖、细胞、表达和其他数据。

可利用性：Virtual Fly Brain在线免费提供www.virtualflybrain.org

联系人： jda@inf.ed.ac.uk公司

1简介

凭借其相对简单的结构和无与伦比的遗传易驾驭性果蝇属是神经科学基础研究的理想模型。然而，在实践中，导航果蝇属神经生物学文献和各种社区数据库是一个真正的挑战。文学的悠久历史和多样性导致了各种经常冲突的术语。关于有用研究试剂的信息分散在许多数据库中，这些数据库不可互操作，甚至很少相互引用。因此，例如，寻找关于两个大脑区域之间连接的数据，或者基因在哪里表达，或者存在什么资源，是一项艰巨而困难的任务。实现科学投资的价值果蝇属神经科学界需要一个强大的解剖学框架，以及支持它的数据结构和计算工具。第一个挑战是就大体解剖学的通用框架达成一致。“BrainName”联盟首次解决了这一问题，该联盟提出了一个修改后的昆虫大脑命名法（K.Ito等。（提交出版），每个术语均以文本形式和参考文献中的卷形式定义果蝇属大脑。

接下来，我们需要能够构建和解决有用的搜索，并集成来自不同来源的数据。使用web本体语言OWL 2(http://www.w3.org/TR/oll2-primer网站/)在推理软件的帮助下，可以存储术语之间的复杂关系，并使用这些关系自动分类和驱动查询。例如，一类神经元与其所支配的结构之间的关系既可以为有用的查询提供基础（哪些神经元支配X区），也可以为分类提供标准（a类中的所有神经元支配某个X区）。本体还为神经解剖数据的通用注释提供了一种机制，允许轻松集成来自不同资源的数据。

对齐的序列图像，如共焦显微镜的图像，是可视化解剖结构或基因表达区域的关键工具果蝇属神经系统[例如(伊藤等。, 1997;马林等。, 2002;杨等。, 1995)]. 在这些图像堆栈顶部对已知神经膜域进行划分（或“绘制”），为研究和研究大脑结构提供了一个强大的工具(Pereanu和Hartenstein，2006年;雷恩等。, 1999,2002). 可以使用图形软件（如Amira）在本地处理和查看此类数据(失速等。, 2005)或ImageJ/Fiji(阿布拉莫夫等。, 2004). 还有功能强大的基于桌面的专家系统，用于交互式探索果蝇属3D神经系统(布鲁克纳等。, 2009;彭等。, 2010,2011;彼得森等。, 2004). 然而，这样的数据集也很大，查看它们需要高规格的工作站硬件和大量存储，而不是商品计算。

这种图像数据的另一个特点是制作成本高昂，因此其共享和分发至关重要。显然，共享如此庞大的数据对数据存储和数据传输带宽提出了严重的要求。分发和共享图像数据的理想方式是通过web界面。社区中大多数现有项目使用特别的解决方案，如缩小尺寸、预先编译的QuickTime电影或具有代表性的重建[例如Flytrap(凯尔索等。, 2004)；大脑陷阱(诺尔斯-巴利等。, 2010)]. 一些较新的解决方案还提供交互式3D浏览功能，如音量旋转[FlyCircuit(蒋介石等。, 2010)]尽管将原始数据集的分辨率降低到浏览器上观察到的分辨率仍然是一个问题。

为了更充分地利用这些3D图像，需要有机制来显示定义结构的边界和范围，例如BrainName标准定义的神经细胞，并将图像的探索性浏览与对基础数据的查询构建联系起来。

这里有一个在线资源，虚拟飞行大脑，灵感来自海森堡小组的开创性工作(雷恩等。, 2002)建立在BrainName命名法（K.Ito等。（提交出版），并关键地提供了一个计算框架，在此基础上我们可以集成工具、数据和研究资源。

2结果

2.1将BrainName控制词汇转换为本体

为了使BrainName命名法发挥其帮助数据整合的潜力，它需要作为标准词汇可用，可以用于注释基因表达、表型和其他神经解剖学相关数据的位置。注释中的表达式和表型的标准词汇果蝇属是果蝇属FlyBase维护的解剖本体(特威迪等。, 2009)，主要社区资源数据库果蝇属FlyBase已使用此本体来注释神经系统中超过40000种表型和表达模式，其中包括数千种成人大脑。它已被外部资源（如RedFly）用于注释(加洛等。, 2011)和BrainTrap(诺尔斯-巴利等。, 2010). 参与BrainName小组的研究人员涵盖了果蝇属神经科学家目前也在使用它。

我们已经调整并更新了果蝇属解剖本体合并BrainName标准术语，并将生成的本体术语链接回带注释的标准BrainName堆栈。我们还在本体中填充了大量已发布的成人大脑神经元类的术语。这些使用一组新定义的相互联系的关系（D.Osumi-Sutherland等。，已提交以供发布）。这些关系使我们能够捕捉每个神经元类的束动和神经支配模式。本体用W3C推荐的OWL2语言表示(http://www.w3.org/TR/owl2-primer网站/). 这允许我们使用标准OWL推理器FaCT++(Tsarkov和Horrocks，2006年)对神经元进行自动分类并查询本体。

由此产生的本体提供了一个通用的注释系统，用于注释任何类型的神经解剖相关数据，包括基因表达、表型和图像。

2.2系统架构

应用程序体系结构如所示图1。它由与服务器通信的轻量级客户端（基于浏览器）组成。客户端通过Web发送请求并接收回图像块、图像属性(胡斯等。, 2009)或文本形式的本体/DB查询结果(第2.4节).

成像服务器以覆盖浏览器窗口中可见区域的一系列平铺形式提供高分辨率2D图像节。由于瓦片仅在需要时生成和交付，并且查看器区域大小恒定，因此系统有效地使用内存和带宽，并确保在多个放大级别和任意方向上用户操作的响应时间一致。瓷砖由Woolz对象格式的3D图像体生成[(Piper和Rutovitz，1985年);http://www.emouseatlas.org/emap/analysis_tools_resources/software/woolz.html]代表整体“灰度”结构和单个神经膜域。

我们运行了FlyBase CHADO Postgres数据库的完整实例(蒙加尔和埃默特，2007年)，与FlyBase更新周期保持同步。它包含果蝇属解剖本体包括术语名称、同义词、定义和参考。它还包含大量的表达和表型数据，使用该本体进行注释，并链接到遗传特征（基因、等位基因、转基因）和源出版物。作为虚拟苍蝇大脑项目的一部分，我们将成人大脑FlyBase中转基因表达的注释扩展为一组近乎全面的已发布转基因。

我们运行一个单独的本体查询服务器(图1)使用OWL-API的[(霍里奇和贝赫霍夫，2009年);http://owlapi.sourceforge.net/]加载本体并使用OWL推理器FaCT++对其进行分类[(Tsarkov和Horrocks，2006年);http://code.google.com/p/factplusplus网址/]. 对本体进行分类后，我们可以向服务器发送描述逻辑（DL）查询，服务器使用初始分类步骤缓存的数据快速返回满足查询的本体术语ID列表。

查询服务器负责处理本体查询和注释相关查询(第2.4节).

2.3本体和参考大脑的浏览器界面

浏览器端客户端是一个可配置的网络应用程序，允许用户方便地在绘制的3D堆栈中导航果蝇属大脑并对底层大脑解剖本体和外部数据库执行查询。

与大脑解剖学交互的最直观的方式是通过结构本身，因此我们努力用交互式3D大脑表示来补充树状本体表示。位于浏览器界面中心的图像查看器(图2)履行这一角色。它提供3D图像堆栈的2D切片以及可配置的颜色覆盖。在当前版本的VFB中，唯一可用的堆栈是BrainName参考堆栈，可配置的颜色覆盖定义了BrainName区域的边界。当神经系统的其他阶段和部分可用时，我们将添加参考堆栈。

“类似谷歌地图”的用户界面使图像查看器使用起来非常直观。此外，还添加了高级控件，如深度和堆栈方向，以便于在卷中进行完整的3D导航。交互式解剖树允许用户根据零件层次结构中的名称或位置导航解剖。单击大脑切片中的感兴趣区域可切换解剖树中相应术语的选择，反之亦然。从树中，或通过单击图像，用户可以切换多个区域作为颜色覆盖的显示。然后，用户可以移动、旋转或缩放到任意视图，以探索所选解剖区域之间的空间关系。

自动完成搜索框(图2D） 提供快速搜索解剖学术语的工具。驱动自动完成的列表使用DL查询填充，该查询查找与图像堆栈相关的所有大脑区域。在BrainName成人大脑堆栈的情况下，DL查询查找属于成人大脑的突触神经膜的所有区域。对于找到的每个解剖术语，通过查询CHADO数据库检索所有已知同义词的列表，并将其添加到自动完成列表中。这允许搜索具有相同最终结果的官方名称和同义词，所选术语的对应树节点将突出显示。这不仅提供了一种方便和宽容的搜索方式，而且还提供了口语大脑术语名称和BrainName标准定义之间的快速链接机制。解剖树的结构是通过遍历“成人大脑”的部分关系，从解剖本体自动生成的。此方法将允许我们轻松扩展虚拟飞行大脑以使用其他图像堆栈，并允许我们在任何特定堆栈的基础本体发生更改时自动更新搜索和树。

VFB应用程序提供了一个基本的地图集功能，允许用户探索FlyBase解剖本体及其衍生的BrainName命名法并与之交互。社区中还有其他可用的地图集（如伊藤个人通讯），提供了一系列视觉方法来探索、互动和学习苍蝇大脑解剖。

2.4图形驱动的本体查询

我们的主要目的不是开发参考地图集就其本身而言而是提供一个直观的交互式查询界面和一个基础逻辑框架，在此基础上可以构建和解决有用的搜索。指导性前提是，基于相同本体、用相同本体注释或映射到相同本体的任何数据源都应该可以从单个站点搜索。首先，我们关注从文献中收集并存储在FlyB中的有价值的表型和表达数据。虚拟飞行大脑上最简单的查询形式是通过直接或双击图像堆栈上的区域选择树项来启动。选择树术语后，将启动对数据库的请求，从而在“术语信息框”中显示该术语的详细信息记录(图2C） ●●●●。目前，这使用存储在CHADO本地实例中的信息，该实例是根据找到的解剖术语的ID检索的。未来，我们计划直接从本体服务器中提取此信息。这将使我们的软件更通用，因为它不依赖于将本体加载到CHADO数据库中。

由于任何选定术语都有一个以上的信息来源（例如解剖、表型、连接性等），因此每个术语都有关联的上下文菜单，可以通过右键/ctrl单击相应的树节点来访问(图2E） 。由于集成了额外的数据源，因此新的查询变得可行，此菜单得到扩展。当前可以从该菜单访问两类查询-解剖和注释。

解剖查询通过本体服务器驱动DL查询。目前，它们包括对支配选定神经膜的神经束的查询，以及对具有更高特异性的神经元的嵌套查询。其中最常见的是对所有神经元的查询，这些神经元的某些部分位于选定的神经膜中。一个更具体的查询可以找到神经膜中具有突触终末的所有神经元，而更具体的搜索仍然可以找到具有突触前或突触后终末的神经元。这些查询依赖于使用一组相互关联的关系对本体进行推理，以实现重叠、“部分”和突触位置。图3显示了在查询触角叶中有部分神经元时的推理示例。这些关系在随附的一篇论文中进行了详细讨论（D.Osumi-Sutherland等。，已提交以供发布）。生成的列表通过从FlyBase CHADO中的本体表示中提取的额外信息进行了增强，例如定义提取。

注释查询，例如表达式或表型的查询，以所有相关解剖术语的DL查询开始。结果列表用于查询FlyBase CHADO的注释功能和源出版物(图4). 对于特定神经膜中转录表达的查询，相关解剖学术语的查询将返回与该神经膜重叠的所有神经元以及神经膜的部分。这会导致查询结果中出现一些假阳性，因为转录本可能定位于神经元中与神经膜不重叠的部分。但是，这种方法找到的正确结果的数量远远弥补了这一点，而不仅仅是部分表达式的查询。中的查询结果说明了这一点图4，其中找到P的表达式{GaWB}Mz612在神经元VA6 adPN中，该神经元由初始DL查询中的一个子句找到，用于查找相关术语。

这种查询方法与通过模型生物数据库使用基因本体和其他OBO本体的典型用法有很大不同。这些数据库使用简单的基于图形的推理将查询词的注释分组，并将其所有子类和子类的术语注释分组。在这个范例中，对触角叶中表达的转基因进行查询，可以发现被注释为在触角叶的部分区域表达的转基因，例如肾小球VA1，而不是在支配触角叶神经的神经元中，例如VA6 adPN(图4).

解剖查询-构建器界面允许用户构建更复杂的解剖查询，例如“查找X中具有突触前终端和Y中具有突触后终端的所有神经元”。该界面包括一个带有简单控件集的图像查看器和解剖树，用于为单个查询腿图形化选择大脑区域。界面的查询生成器部分允许用户为每个单独的查询分支指定一种关系类型（例如，突触、突触后、突触前），并提供关于结果查询将产生多少点击的中间反馈。在构建查询时，会生成一个句子，清楚地说明查询的性质。考虑到本体定义良好的语义，这很容易做到，但对于来自传统关系数据库的组合查询来说，这将更具挑战性。

3结论和未来方向

虚拟飞行大脑网站的开发有两个主要目标。首先，它被设计为神经-解剖学数据集成的中心。其次，它旨在成为一个易于使用和使用的工具，以传播社区商定的解剖标准。目前，它的重点是BrainName联盟为成人大脑提出的标准，但我们计划支持其他区域和阶段的标准果蝇属中枢神经系统一旦可用。Virtual Fly Brain通过在网络上访问、无需下载或安装定制组件以及易于搜索、查询和浏览来实现其传播目标。我们已经演示了如何使用浏览器界面的上下文菜单和查询界面轻松构建解剖、基因表达和表型查询。虚拟飞行大脑通过使用和开发果蝇属解剖学本体论。这为存储有关果蝇属可查询形式的神经解剖学和注释数据的词汇。

还有其他高质量的工作来收集有关神经支配模式的信息果蝇属大脑变成可查询的资源。FlyCircuit数据库(蒋介石等。, 2010)它使用自己的数据，包括数千个单独的神经元图像堆栈和一个围绕自己的创新图像分析系统构建的查询系统。因此，它是一种独特的资源，其数据和分析与我们的互补。另一个重要资源，FlyBrain神经元数据库(四宫等。, 2011)，利用其所在实验室强大的解剖学专业知识以及传统的关系数据库方法来记录有关成人大脑神经元的信息。数据和见解与各种可视化工具的结合，是实验室独有的，这意味着这将继续是一种宝贵的资源。然而，在这个数据库与我们的工作重叠的地方，我们基于本体的方法由于其更复杂的语义，通过在注释和查询中使用本体，在数据集成方面具有显著优势。

Virtual Fly Brain查询可以针对任何包含用果蝇属解剖本体或者可以很容易地映射到这个本体。我们当前的版本针对FlyBase运行查询，即时利用其从文献中收集的大量数据存储。内容正在不断修订，我们目前正在从BrainTrap数据库导入已经使用解剖本体的表达式注释(诺尔斯-巴利等。, 2010)并将FlyBrain神经元数据库记录映射到我们的本体。我们还使用FlyCircuit和BrainName模型大脑的交叉配准，从FlyCirecuit自动生成神经元图像数据。在不久的将来，我们将添加从我们网站上的相关页面到所有这三种资源的链接，并将FlyCircuit和BrainTrap数据集成到我们的查询系统中。

应用程序代码可自由使用、配置并可用于其他项目，也可能用于其他生物体。该网站位于http://www.virtualflybrain.org。请参阅http://www.virtualflybrain.org/site/vfb_site/tutorial.htm视频教程。

4确认

我们感谢整个BrainName命名工作组在为昆虫大脑提出统一命名方面所做的努力。特别是，我们感谢Kei Ito、Arnim Jennet、Greg Jefferis和Kasunori Shinomiya的贡献，他们慷慨地提供了VFB中使用的图像和注释。我们还感谢FlyBase的卓有成效的合作，没有这种合作，VFB项目就不可能实现。我们最后感谢Michael Ashburner在帮助我们定义初始项目方面所做的努力。健康状况不佳使他无法再做贡献。

基金：这项工作由生物技术和生物科学研究理事会（英国）（给J.D.A.）的研究拨款资助；迈克尔·阿什伯恩（Michael Ashburner）以及英国电子科学主题奖，该奖项由工程和物理科学研究委员会（英国）（J.D.a.）和英国医学研究委员会（R.a.B.）的核心拨款资助

利益冲突：未声明。

参考文献

作者注释