[논문 리뷰] 3D mesh processing using GAMer 2 to enable reaction-diffusion simulations in realistic cellular geometries

Christopher T. Lee, Justin G. Laughlin외 6명|2019. 01. 29.

Cell Image Analysis Techniques참고 문헌 4인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 전자현미경 영상에서 분할된 메ッシュ의 조건이 열악한 상태에서 고품질의 경계 표시가 된 삼각형 메쉬로 변환하는 GAMer 2라는 메쉬 처리 도구를 제시한다. 이는 유한요소법(FEM) 시뮬레이션에 적합한 메쉬로 변환한다. 메쉬 정렬 및 경계 표시 워크플로우를 적용함으로써 저자들은 다양한 척도에서 실제 신경세포 수상돌기 기하구조에서 정확한 반응-확산 시뮬레이션을 가능하게 하였으며, 세포 형태학이 칼슘 신호전달 역학에 미치는 영향을 입증하였다.

ABSTRACT

Recent advances in electron microscopy have enabled the imaging of single cells in 3D at nanometer length scale resolutions. An uncharted frontier for in silico biology is the ability to simulate cellular processes using these observed geometries. Enabling such simulations requires watertight meshing of electron micrograph images into 3D volume meshes, which can then form the basis of computer simulations of such processes using numerical techniques such as the Finite Element Method. In this paper, we describe the use of our recently rewritten mesh processing software, GAMer 2, to bridge the gap between poorly conditioned meshes generated from segmented micrographs and boundary marked tetrahedral meshes which are compatible with simulation. We demonstrate the application of a workflow using GAMer 2 to a series of electron micrographs of neuronal dendrite morphology explored at three different length scales and show that the resulting meshes are suitable for finite element simulations. This work is an important step towards making physical simulations of biological processes in realistic geometries routine. Innovations in algorithms to reconstruct and simulate cellular length scale phenomena based on emerging structural data will enable realistic physical models and advance discovery at the interface of geometry and cellular processes. We posit that a new frontier at the intersection of computational technologies and single cell biology is now open.

연구 동기 및 목표

• 분할된 전자현미경 영상과 생물물리학 모델링에 적합한 시뮬레이션용 3차원 메쉬 사이의 격차를 메우기 위해.
• 시뮬레이션을 방해하는 분할 파이프라인으로 인한 열악한 메쉬 품질 문제를 해결하기 위해.
• 생물학자들과 계산 생물학자들을 위해 특화된 사용자 우호적인 메쉬 처리 도구를 개발하기 위해.
• 나노스케일 EM 데이터에서 유도된 복잡한 실제 세포 기하구조에서 반응-확산 과정의 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해.
• 시뮬레이션 기반 모델링을 통해 실험적으로 검증 가능한 가설을 도출하는 데 지원하기 위해.

제안 방법

• Blender 애드온을 통해 상호작용적 메쉬 편집이 가능한 파이썬 기반 메쉬 처리 라이브러리인 GAMer 2를 활용한다.
• 컴퓨터 그래픽스 분야의 메쉬 정렬 알고리즘을 적용하여 분할된 메쉬의 요소 품질을 향상시키고 기하학적 구조적 문제를 해결한다.
• 세포막, 내세포망, 시냅스 후부 밀도와 같이 생물학적으로 중요한 영역을 식별하기 위해 경계 표시를 구현한다.
• 초기 메쉬 재구성에 IMOD와 같은 오픈소스 도구를 통합하고, 시각화 및 메쉬 정밀 조정에는 Blender를 활용한다.
• 유한요소 해석(FEA) 솔버와 호환되는 비구조적 삼각형 메쉬 볼륨 메쉬를 생성한다.
• 단일 스파인에서부터 전체 수상돌기 기하구조까지의 다양한 척도에서의 시뮬레이션을 지원하기 위해 기하구조를 처리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GAMer 2는 분할된 전자현미경 영상에서 유도된 원시적이고 품질이 열악한 메쉬를 FEA에 적합한 메쉬로 효과적으로 변환할 수 있는가?
• RQ2 세포 형태학은 신경세포 수상돌기에서 칼슘 신호전달의 시공간적 역학에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 메쉬 품질과 경계 표시 수준이 복잡한 기하구조에서 반응-확산 시뮬레이션의 정확성과 안정성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 이 워크플로우는 단일 시냅스에서부터 전체 수상돌기 세그먼트에 이르기까지 다양한 척도로 일반화될 수 있는가?
• RQ5 생성된 모델은 체계생물학 및 세밀막 생물물리학 분야에서 실험적 검증을 위한 검증 가능한 예측을 도출할 수 있는가?

주요 결과

• GAMer 2는 FEM 시뮬레이션에 적합한 고품질의 경계 표시가 된 삼각형 메쉬로 분할된 EM 영상에서의 메쉬를 성공적으로 변환하였다.
• 메쉬 정렬 과정은 요소 품질을 크게 향상시켜 시뮬레이션의 불안정성을 유발할 수 있는 열악한 조건의 요소를 감소시켰다.
• 경계 표시 기능은 세포막, 내세포망, 시냅스 후부 밀도와 같이 생물학적으로 중요한 영역을 정확하게 표현하는 데 기여하였다.
• 수상돌기 기하구조에서 칼슘 유입을 위한 유한요소 시뮬레이션 결과, 복잡한 형태학이 신호전달 역학에 영향을 미친다는 것이 입증되었으며, 이는 기하학적 형태가 세포 신호전달에서 중요한 역할을 한다는 것을 뒷받침한다.
• 이 워크플로우는 확장 가능하며, 단일 스파인에서부터 전체 수상돌기 세그먼트까지 다양한 척도에 적용 가능하다.
• GAMer 2와 Blender, PyGAMer의 통합은 비전문가 생물학자들도 사용자 친화적이고 상호작용적인 메쉬 처리를 수행할 수 있도록 하였다.