neuroMap - interactive graph-visualization of the fruit fly's neural circuit

Abstract

Neurowissenschaftler erforschen die Funktionen neuronaler Netzwerke im Gehirn der Fruchtfliege Drosophila Melanogaster, um herauszufinden, wie komplexes Verhalten erzeugt wird. Eine Kombination aus molekulargenetischen Verfahren und Konfokalmikroskopie erlaubt es den Wissenschaftlern, einzelne Neuronen in dreidimensionalen Bildern des Fruchtfliegengehirns sichtbar zu machen. Dabei werden die Neuronen segmentiert, annotiert, und in einem digitalen Atlas zusammengetragen.<br />Solche sogenannten Gehirnatlanten bieten in der Regel Werkzeuge, um die darin gesammelten Daten zu explorieren und zu analysieren. Um jedoch Modelle über neuronale Informationsverarbeitung aufstellen zu können, ist es notwendig, über die potentiellen Verbindungen zwischen einzelnen Neuronen Bescheid zu wissen. Solche Verbindungen können auftreten, wenn sich die Arborisierungen (terminale Verzweigungen von Nervenfasern) zweier Neuronen überlappen. Diese Überlappungen anhand von volumetrischen Visualisierungsmethoden zu analysieren ist jedoch schwierig, da sich die betrachteten Objekte durch die Überlappung gegenseitig verdecken. Eine abstraktere Darstellungsform der zu untersuchenden Daten wäre daher vorteilhaft.<br />Das Thema dieser Diplomarbeit wurde durch ein von Hand konstruiertes zweidimensionales Schaltkreisdiagramm potentieller neuronaler Verbindungen inspiriert. Durch die Abstraktion der komplexen volumetrischen Daten, bietet diese neue Dartstellungsform eine intuitive und klare Übersicht über die potentiellen Verbindungen der betrachteten Neuronen.<br />In Zusammenarbeit mit einer Gruppe von Neurowissenschaftlern wurde im Rahmen dieser Diplomarbeit neuroMap entworfen und implementiert, mit dem Ziel, visuelle Eigenschaften und kodierte Information des Schaltkreisdiagramms in einem automatisch generierten, interaktiven Graph zu reproduzieren, und dadurch unseren Kollaborateuren das Bilden von Hypothesen über und die Erforschung von neuronaler Konnektivität zu erleichtern.<br />In dieser Diplomarbeit werden neben den Entscheidungen, die in das Visualisierungs- und Interaktionsdesign von neuroMap eingeflossen sind, auch die Ergebnisse der Evaluierung präsentiert, die zeigen, dass die Integration dieses neuartigen Visualisierungsansatzes in die bestehende Datamining-Infrastruktur unserer Kollaborateure tatsächlich hilfreich für deren Forschung ist.<br />

Neuroscientists study the function of neural circuits in the brain of the common fruit fly Drosophila Melanogaster to discover how complex behavior is generated. Through a combination of molecular-genetic techniques and confocal microscopy the scientists are able to highlight single neurons and produce three-dimensional images of the fly's brain. Neurons are segmented, annotated, and compiled into a digital atlas. Brain atlases offer tools for exploring and analyzing their underlying data. To establish models of neural information processing, knowledge about possible connections between individual neurons is necessary. Connections can occur when arborizations (the terminal branchings of nerve fibers) of two neurons are overlapping.<br />However, analyzing overlapping objects using traditional volumetric visualization is difficult since the examined objects occlude each other. A more abstract form of representation is therefore required.<br />The work in this thesis was motivated by a manually constructed two-dimensional circuit diagram of potential neuronal connections that represents a novel way of visualizing neural connectivity data. Through abstracting the complex volumetric data, the diagram offers an intuitive and clear overview of potential connectivity.<br />In collaboration with a group of neuroscientists neuroMap was designed and implemented in an attempt to deliver the visual features and encoded information of this circuit diagram in an automatically generated interactive graph, with the goal of facilitating hypothesis formation and exploration of neural connectivity.<br />In this thesis the visual and interaction design decisions that went into neuroMap are presented, as well as the result of evaluative discussions that shows that the integration of this novel type of visualization into the existing datamining infrastructure of our clients is indeed beneficial to their research.