将数据带入生活:计算工具帮助胚胎发育研究

通过定制的网络平台和数据可视化,软件工程师Aaron Watters帮助科学家获得对其数据的洞察力。

Aaron Watters是Flatiron Institute科学计算中心的高级软件工程师。

计算机科学家亚伦·沃特斯有强烈的好奇心。多年来,这种好奇心促使他从事从金融到化学工业的项目。现在,他是扁钢研究所科学计算核心他帮助所有学科的科学家管理、处理和可视化他们的数据。

Watters目前正在与Flatiron Institute的一组发育生物学家合作计算生物学中心(CCB),尽管他之前曾与其他CCB科学家以及其他中心(如计算天体物理中心(CCA),在那里他创建了中子星可视化和星系模拟。Watters拥有宾夕法尼亚大学计算机科学博士学位和加州大学戴维斯分校数学学士学位。

瓦特斯最近向西蒙斯基金会讲述了他的工作和数据可视化的重要性。

 

你目前在做什么?

我正在与CCB和普林斯顿大学的研究人员合作进行一个研究小鼠胚胎的项目,以确定它们在早期阶段是如何发育的。研究人员使用一种称为光片显微镜的技术,在小鼠胚胎发育过程中拍摄其3D图像,以捕捉两个细胞如何分裂和繁殖成数百个细胞。这不仅有助于他们了解胚胎细胞是如何发育的,也有助于了解其谱系——每个细胞的父母、祖父母等。

Watters开发了一种用于查看、比较和编辑小鼠胚胎发育数据的软件工具。图片来源:Aaron Watters

我的参与是创建呈现这些数据的方法,例如通过开发工具和可视化。这使得研究人员更容易看到正在发生的事情以及数据可以揭示的内容。例如,我最近创建了一个查看器,让研究人员可以滚动浏览胚胎在不同发育阶段随时间变化的图像。这个查看器允许他们从胚胎中挑选出单个细胞并旋转视图,这样他们可以从多个角度和不同的横截面切片上看到细胞。它还附带了一个流程图,有点像家谱,显示了细胞的谱系。这张图表并不是科学家们最初想要的,但我的好奇心驱使着我制作它,最终证明它对团队非常有用。该项目的网站它允许研究人员共享数据、模型和可视化。

在日常工作中,这项工作涉及通过Python、JavaScript和HTML等语言的计算编码来构建底层工具和框架。我尝试创建可重用的工具,这些工具不是特定于项目的,但可以更广泛地使用。因此,我经常将部分时间花在开发底层平台上,然后这些平台支持特定工具的开发。

 

是什么吸引你参与这个项目的?

这里使用的成像技术相对较新,因此研究人员看到了许多以前从未见过的东西。在早期阶段,小鼠胚胎与包括人类在内的其他哺乳动物的胚胎惊人地相似,因此研究人员正在阐明适用于所有生物体的胚胎学基本原理。每个人都对这个项目感到非常兴奋。科学家们在谈论这项工作时非常激动,他们总是渴望分享他们正在学习的东西。这使它成为一个非常有趣的项目,我总是在学习新东西。

过去我经常换工作,但现在我在SCC工作了六年多,这是我在任何地方停留时间最长的一次。这是因为我可以为很多有趣的工作做出贡献。我也有一定的自由来探索我想要的东西,并与来自不同学科的人联系。

我还能够在SCC从事许多不同的项目。除了我们的小鼠胚胎项目,我还与其他CCB科学家合作研究基因表达,甚至与CCA天体物理学家合作——我帮助创建了数据可视化,以显示中子星模型和星系演化。我想除了计算数学中心外,我已经与熨斗研究所的所有中心合作过,但我希望将来能与他们合作。

 

你的小鼠胚胎项目的下一阶段是什么?

我正在开发一些软件来帮助对齐和校正不同科学图像之间的旋转。当科学家对活胚胎成像时,它会移动并逐渐旋转。因此,对于每一幅图像,他们必须计算出胚胎旋转的距离和方向,这样他们才能将图像对齐,从而自信地知道他们正在从一幅图像到另一幅图像看同一个细胞。这目前是由计算机算法自动完成的。我正在开发一个工具,它将帮助科学家查看图像,并能够确认算法是否正常工作,如果不正常,可以通过单击并拖动图像直到它们对齐来进行快速更正。

 

为什么数据可视化很重要?

可视化使科学家能够真正理解他们的数据及其试图告诉他们什么。通常,可视化是在项目即将结束时使用的,就在研究人员可能准备发表他们的工作之前。但我认为在研究的早期阶段应该更多地使用可视化。它们在帮助研究人员确定下一步探索方向方面非常有用。