Integration of Web-based information visualizations into a scientific visualization environment

Abstract

Die heutige neurobiologische Forschung basiert oft auf Gehirnen der Drosophila Melanogaster Fruchtfliege. Um die Funktion von neuralen Netzwerken der Gehirne zu erforschen müssen die Wissenschaftler oftmals neurale Strukturen von mehreren Gehirnen miteinander vergleichen. Ihr Ziel ist es heraus zu finden wie komplexes Verhalten entsteht. Zu diesem Zweck verwenden die Wissenschaftler des Forschungsinstituts für molekulare Pathologie (IMP) in Wien ein konfokales Mikroskop um volumetrische Bilder der Gehirne zu erzeugen. Heute haben sie bereits mehr als 40.000 dieser Bilder gemeinsam mit einer großen Menge an zusätzlichen Daten erzeugt. In vielen Fällen sind drei dimensionale Darstellungen nicht ausreichend um gewisse wissenschaftliche Probleme zu lösen. Gerade dann, wenn mehrere Gehirne in Betracht gezogen werden müssen. Deswegen benötigen die Forscher zusätzliche Daten welche in Datenbanken abgespeichert sind. Hier ergibt sich das Problem dass die Forscher zwei unterschiedliche Datenquellen ohne direkte Verbindung dazwischen in Betracht ziehen müssen. Auf der einen Seite gibt es die drei dimensionalen Bilder und auf der anderen Seite zusätzliche Daten die aber gewisse Beziehungen zu den Bildern haben. Diese Arbeit stellt ein Software Design Konzept vor um eine Verbindung zwischen den drei dimensionalen Darstellungen der volumetrischen Bilder her zu stellen. Highlighting Techniken können verwendet werden um Verbindungen zwischen Volumen Visualisierungen der Gehirne und den dazu in Beziehung stehenden Daten in den zwei dimensionalen Informationsvisualisierungen her zu stellen. Dafür wird die Implementierung dieses Software Design Konzepts in eine existierende wissenschaftliche Visualisierungsumgebung integriert. Um dieses Konzept zu evaluieren werden häufige neurobiologische Anwendungsfälle herangezogen und beschrieben, wie die Implementierung dieses Design Konzepts den Arbeitsverlauf der Forscher unterstützen kann.

Today-s neuro-biological research is often based on brains of the Drosophila Melanogaster, the commonly known fruit fly. To study the function of neuronal circuits scientists often have to compare the neuronal structures of a set of different brains. Their aim is to find out how complex behavior is generated. Therefore the scientists at the Institute of Molecular Pathology (IMP) in Vienna are using a confocal microscope to produce volumetric images of Drosophila brains. Today they have acquired more than 40.000 images and a large amount of additional data. In many cases 3D renderings of these volumetric images are not sufficient to solve certain scientific problems especially when multiple brains have to be considered. Therefore the researchers rely on additional data which is stored in databases. The problem here is that the scientists have two different data sources without a connection between them. On the one hand there are the volumetric images and on the other hand there is the additional data which has certain relations to the brains. This thesis proposes a software design concept to establish a connection between 3D renderings of volumetric images and additional data by using information visualizations. Highlighting techniques can be introduced to link volume visualizations of the brains to related data visualized by 2D information visualizations. Therefore the implementation of this design concept gets integrated into an existing scientific visualization environment. To evaluate this concept common neuro-biological use cases are introduced and it is described how the implementation of this design concept supports the work flow of the researchers.