Раскраски для взрослых

Ищем и отмечаем митохондрии на микрофотографиях плаценты и не только вместе с Марией Осетровой.

Всем привет, я Маша Осетрова, и я работаю в проекте Люди науки, где мы рассказываем о том, как люди без специальных знаний и навыков могут сделать свой вклад в науку. Хотя нас постоянно пугают искусственным интеллектом, пока далеко не все задачи ему под силу. Например, он довольно плохо справляется с поиском паттернов на изображениях. А вот научные волонтёры подходят для этого отлично. В сегодняшней подборке — несколько проектов по анализу микроскопических снимков, в которых учёным и искусственному интеллекту требуется ваша помощь.

Энергетика плаценты

Проект «Science Scribbler: Placenta Profiles» создали специалисты по визуализации из Diamond Light Source (крупнейший в Великобритании синхротронный центр) и Института Розалинды Франклин, а также исследователи из университетов Манчестера и Саутгемптона. Для анализа учёные собрали образцы плаценты от женщин, беременность которых проходила нормально, а также от тех, у кого она осложнялась преэклампсией или задержкой роста плода. Оба эти состояния связаны с нарушениями в нормальной работе плаценты, поэтому учёные надеются выяснить, что именно «сломалось» в организме. В случае с плацентой это особенно сложно, поскольку она состоит из множества разных клеточных типов.

Сейчас проект сфокусирован на синцитиотрофобласте — самом внешнем клеточном слое плаценты. Он отделяет организм матери от организма ребенка и передаёт растущему плоду кислород и питательные вещества из материнской крови. Этот процесс поддерживают разные клеточные структуры, в том числе — митохондрии, однако об их динамике в плаценте известно не так много. Так что задача волонтёров — отметить все митохондрии, которые они видят на снимке с микроскопа. Сейчас это приходится делать вручную, но учёные надеются использовать проделанную волонтёрами работу, чтобы обучить алгоритм и компьютер смог бы решать эту задачу самостоятельно. 

Плацента в разрезе во время беременности (a и b), внешние слои плаценты в приближении (c) и изображение митохондрий в синцитиотрофобласте. Илл.: Zooniverse.org

Изображения для анализа получены при помощи серийной сканирующей электронной микроскопии. Это метод, при котором сначала делается снимок поверхности образца, затем отрезается очень тонкий слой и делается следующий снимок, затем ещё один и так далее. Таким образом получается серия 2D снимков, из которых затем можно воссоздать 3D изображение образца. В каждом задании — три последовательных изображения. Можно смотреть их по отдельности, можно все три одновременно, а можно в виде очень короткого видео.

Область в оттенках серого — это клетки, а фон выделен красноватым цветом. Митохондрии на снимках выглядят как небольшие круги или овалы с чётким тёмным контуром. Иногда внутри виднеются полоски — это кристы, складки внутренней мембраны митохондрий. На первом снимке мне попалось всего несколько митохондрий, хотя авторы пишут, что обычно их должно быть 5-25 штук. Как и просят создатели проекта, отмечаю даже те кружочки, в которых не уверена на 100%. 

Илл.: Zooniverse.org

На следующем снимке клеток почти не видно — на этот случай есть галочка «тут нет митохондрий», отмечаю и иду дальше.

Илл.: Zooniverse.org

Илл.: Zooniverse.org

Искать митохондрии оказалось довольно легко и приятно. В проекте два пути волонтёра: можно смотреть снимки в «Top View» и в «Side View» — видимо, это непосредственно 2D-изображения, полученные с микроскопа, и те же снимки, объединённые в 3D-снимок и разрезанные поперёк. Лично мне с первым заданием было проще, в боковом виде митохондрии как будто не такие ровные и круглые, как в виде сверху. Но, может быть, это просто моё ощущение. 

Раскраска против рака

Ещё один похожий проект — «Etch A Cell – VR», созданный исследователями из Великобритании, Канады, Ирландии и Австралии. В нём собраны снимки тысяч раковых клеток, сделанные при помощи электронного микроскопа. 

Одна из целей проекта — создать виртуальную реальность из полученных данных, чтобы учёные буквально могли посмотреть на раковые клетки под другим углом. Получиться должно что-то такое: пространство, в котором можно прогуляться по поверхности раковой клетки, а затем нырнуть внутрь и посмотреть на неё изнутри. Главное бутылочное горлышко подобных исследований — ручная сегментация, то есть разметка различных клеточных структур. Именно в этом учёные просят помощи у волонтёров.

Илл.: 3D Visualisation Aesthetics Lab, UNSW Australia, Zooniverse.org

В этом проекте тоже нужно отмечать митохондрии, но инструмент немного другой: нужно не просто тыкать в центр, а обводить каждую по периметру. Попасть точно в контур очень сложно, но, к счастью, авторы проекта и не ждут от участников 100%-ной точности. Но зато, например, просят обводить даже те митохондрии, которые не полностью поместились в кадр. На этот раз на каждое задание приходится целых пять снимков, но рисовать нужно только на центральном. 

На первом снимке попалось две митохондрии, мне удалось относительно точно обвести их обе с первого раза при помощи тачпада. С телефона было чуть сложнее, но помогла возможность увеличить изображение.

Илл.: Zooniverse.org

На втором изображении митохондрий оказалось побольше и сами они были покрупнее. Я, конечно же, несмотря на все предостережения инструкции, ошиблась с выбором снимка из серии и разметила все на втором вместо третьего — пришлось переносить. На всякий случай разметку со второго изображения тоже удаляю, а то всё-таки в инструкции просят отмечать только на третьем. Но дальше дело пошло бодрее, и я всегда проверяла, что выбран центральный снимок, с самого начала.

Илл.: Zooniverse.org

На снимках в этом проекте митохондрии очень сильно различаются по форме — далеко не все они похожи на ровные кружочки или овалы. Наверное, именно поэтому и недостаточно просто отметить центр, нужно обводить весь контур. Я обработала пару десятков снимков, все они выглядели очень похоже. Почему-то на каждом снимке клетки занимают только правую половину —  может быть, сейчас в обработке только левый край всех изображений. 

Палка, палка, огуречик Etch a Cell — ER

У команды Etch A Cell активен ещё один проект, посвященный сегментации микроскопических снимков — «Etch A Cell – ER». В нём нужно отмечать не митохондрии, а эндоплазматический ретикулум (ЭПР). Это одна из самых крупных органелл клетки, которая участвует во многих процессах, включая синтез и транспортировку новых белков в клетке. ЭПР состоит из связанной между собой сети мембран разного размера и формы. 

Одна из задач проекта — исследовать, как ведёт себя эндоплазматический ретикулум в процессе деления клетки. О том, как делится ядро клетки и как между дочерними клетками распределяется генетический материал, известно довольно много, а вот как они делят между собой органеллы — почти ничего. Поэтому исследователей особенно интересует, как меняется форма ЭПР в процессе деления. 

На изображениях с микроскопа ЭПР выглядит как длинные «червячки» или «кляксы» разного размера или формы, иногда это совсем маленькие кружочки. Как и у митохондрий, у них тёмный контур, но полосок внутри нет. Кроме того, отдельные «кляксы» должны быть сгруппированы вместе. 

Когда уже знаешь, как выглядят митохондрии, с которыми перемешан ЭПР, становится проще определять, где правильные «кляксы» и «червячки». Кстати, это же знание помогает не спутать ЭПР с оболочкой ядра: хотя выглядит она как такой же длинный червяк, по одну сторону от неё (где как раз и находится ядро клетки) не должно быть митохондрий или других клеточных компонентов, которые окружают ЭПР. 

Илл.: Zooniverse.org

Снимок с ядерной мембраной попался мне прямо сразу. Отмечаю только то, что находится сверху от ядерной оболочки. Обводить длинные колбаски куда сложнее, чем кругленькие митохондрии — кстати, и там самыми сложными были наиболее вытянутые. Со следующим снимком было попроще, точно никаких ядер, только ЭПР. Уф, зато пришлось отметить аж 27 областей — и наверняка я всё равно что-то пропустила. Уповаю на других, ещё более зорких волонтёров. Теперь понятно, почему этот шаг так сильно тормозит анализ: много изображений за один присест не сделаешь, даже если настроен решительно, со временем очень сложно не пропустить ни одного пятнышка или пузырика, приходится делать перерыв.

Илл.: Zooniverse.org

Итоги

Как показывает успешный опыт команды Etch A Cell, уже разметившей ядерные оболочки на 500 микроскопических снимках на портале Zooniverse, эта задача вполне по силам научным волонтёрам. О том, как использовать полученные от волонтёров данные для машинного обучения, исследователи уже написали статью. У каждого из трёх описанных проектов — по несколько тысяч волонтёров и единомышленников, благодаря им проект «Etch A Cell — VR» уже близок к завершению. О новостях проектов команды Etch A Cell можно узнавать на их страничке в Твиттере. Так что если вам нравится изучать микроскопические снимки, а в детстве вам хорошо давались задания соединить точки, то в этих проектах вам точно будут рады. Задача не из легких и за один присест много не сделаешь, но это вполне может стать полезным хобби.