Self-organizing cultured neural networks: Image analysis techniques for longitudinal tracking and modeling of the underlying network structure

Esta tesis estudia la evolución estructural de conjuntos de neuronas como la capacidad de auto-organización desde conjuntos de neuronas separadas hasta que forman una red (clusterizada) compleja. Esta tesis contribuye con el diseño e implementación de un algoritmo no supervisado de segmentación basado en grafos con un coste computacional muy bajo. Este algoritmo proporciona de forma automática la estructura completa de la red a partir de imágenes de cultivos neuronales tomadas con microscopios de fase con una resolución muy alta. La estructura de la red es representada mediante un objeto matemático (matriz) cuyos nodos representan a las neuronas o grupos de neuronas y los enlaces son las conexiones reconstruidas entre ellos. Este algoritmo extrae también otras medidas morfológicas importantes que caracterizan a las neuronas y a las neuritas. A diferencia de otros algoritmos hasta el momento, que necesitan de fluorescencia y técnicas inmunocitoquímicas, el algoritmo propuesto permite el estudio longitudinal de forma no invasiva posibilitando el estudio durante la formación de un cultivo. Además, esta tesis, estudia de forma sistemática un grupo de variables topológicas que garantizan la posibilidad de cuantificar e investigar la progresión de las características principales durante el proceso de auto-organización del cultivo. Nuestros resultados muestran la existencia de un estado concreto correspondiente a redes con configuracin small-world y la emergencia de propiedades a micro- y meso-escala de la estructura de la red. Finalmente, identificamos los procesos físicos principales que guían las transformaciones morfológicas de los cultivos y proponemos un modelo de crecimiento de red que reproduce el comportamiento cuantitativamente de las observaciones experimentales. ABSTRACT The thesis analyzes the morphological evolution of assemblies of living neurons, as they self-organize from collections of separated cells into elaborated, clustered, networks. In particular, it contributes with the design and implementation of a graph-based unsupervised segmentation algorithm, having an associated very low computational cost. The processing automatically retrieves the whole network structure from large scale phase-contrast images taken at high resolution throughout the entire life of a cultured neuronal network. The network structure is represented by a mathematical object (a matrix) in which nodes are identified neurons or neurons clusters, and links are the reconstructed connections between them. The algorithm is also able to extract any other relevant morphological information characterizing neurons and neurites. More importantly, and at variance with other segmentation methods that require fluorescence imaging from immunocyto- chemistry techniques, our measures are non invasive and entitle us to carry out a fully longitudinal analysis during the maturation of a single culture. In turn, a systematic statistical analysis of a group of topological observables grants us the possibility of quantifying and tracking the progression of the main networks characteristics during the self-organization process of the culture. Our results point to the existence of a particular state corresponding to a small-world network configuration, in which several relevant graphs micro- and meso-scale properties emerge. Finally, we identify the main physical processes taking place during the cultures morphological transformations, and embed them into a simplified growth model that quantitatively reproduces the overall set of experimental observations.

Self-organizing cultured neural networks: Image analysis techniques for longitudinal tracking and modeling of the underlying network structure (versión actualizada)

Esta tesis estudia la evolución estructural de conjuntos de neuronas como la capacidad de auto-organización desde conjuntos de neuronas separadas hasta que forman una red (clusterizada) compleja. Esta tesis contribuye con el diseño e implementación de un algoritmo no supervisado de segmentación basado en grafos con un coste computacional muy bajo. Este algoritmo proporciona de forma automática la estructura completa de la red a partir de imágenes de cultivos neuronales tomadas con microscopios de fase con una resolución muy alta. La estructura de la red es representada mediante un objeto matemático (matriz) cuyos nodos representan a las neuronas o grupos de neuronas y los enlaces son las conexiones reconstruidas entre ellos. Este algoritmo extrae también otras medidas morfológicas importantes que caracterizan a las neuronas y a las neuritas. A diferencia de otros algoritmos hasta el momento, que necesitan de fluorescencia y técnicas inmunocitoquímicas, el algoritmo propuesto permite el estudio longitudinal de forma no invasiva posibilitando el estudio durante la formación de un cultivo. Además, esta tesis, estudia de forma sistemática un grupo de variables topológicas que garantizan la posibilidad de cuantificar e investigar la progresión de las características principales durante el proceso de auto-organización del cultivo. Nuestros resultados muestran la existencia de un estado concreto correspondiente a redes con configuracin small-world y la emergencia de propiedades a micro- y meso-escala de la estructura de la red. Finalmente, identificamos los procesos físicos principales que guían las transformaciones morfológicas de los cultivos y proponemos un modelo de crecimiento de red que reproduce el comportamiento cuantitativamente de las observaciones experimentales. ABSTRACT The thesis analyzes the morphological evolution of assemblies of living neurons, as they self-organize from collections of separated cells into elaborated, clustered, networks. In particular, it contributes with the design and implementation of a graph-based unsupervised segmentation algorithm, having an associated very low computational cost. The processing automatically retrieves the whole network structure from large scale phase-contrast images taken at high resolution throughout the entire life of a cultured neuronal network. The network structure is represented by a mathematical object (a matrix) in which nodes are identified neurons or neurons clusters, and links are the reconstructed connections between them. The algorithm is also able to extract any other relevant morphological information characterizing neurons and neurites. More importantly, and at variance with other segmentation methods that require fluorescence imaging from immunocyto- chemistry techniques, our measures are non invasive and entitle us to carry out a fully longitudinal analysis during the maturation of a single culture. In turn, a systematic statistical analysis of a group of topological observables grants us the possibility of quantifying and tracking the progression of the main networks characteristics during the self-organization process of the culture. Our results point to the existence of a particular state corresponding to a small-world network configuration, in which several relevant graphs micro- and meso-scale properties emerge. Finally, we identify the main physical processes taking place during the cultures morphological transformations, and embed them into a simplified growth model that quantitatively reproduces the overall set of experimental observations.

3D Wavelet-based Fusion Techniques for Biomedical Imaging

Hoy en día las técnicas de adquisición de imágenes tridimensionales son comunes en diversas áreas, pero cabe destacar la relevancia que han adquirido en el ámbito de la imagen biomédica, dentro del cual encontramos una amplia gama de técnicas como la microscopía confocal, microscopía de dos fotones, microscopía de fluorescencia mediante lámina de luz, resonancia magnética nuclear, tomografía por emisión de positrones, tomografía de coherencia óptica, ecografía 3D y un largo etcétera. Un denominador común de todas esas aplicaciones es la constante necesidad por aumentar la resolución y la calidad de las imágenes adquiridas. En algunas de dichas técnicas de imagen tridimensional se da una interesante situación: aunque que cada volumen adquirido no contiene información suficiente para representar el objeto bajo estudio dentro de los parámetros de calidad requeridos por algunas aplicaciones finales, el esquema de adquisición permite la obtención de varios volúmenes que representan diferentes vistas de dicho objeto, de tal forma que cada una de las vistas proporciona información complementaria acerca del mismo. En este tipo de situación es posible, mediante la combinación de varias de esas vistas, obtener una mejor comprensión del objeto que a partir de cada una de ellas por separado. En el contexto de esta Tesis Doctoral se ha propuesto, desarrollado y validado una nueva metodología de proceso de imágenes basada en la transformada wavelet disc¬reta para la combinación, o fusión, de varias vistas con información complementaria de un mismo objeto. El método de fusión propuesto aprovecha la capacidad de descom¬posición en escalas y orientaciones de la transformada wavelet discreta para integrar en un solo volumen toda la información distribuida entre el conjunto de vistas adquiridas. El trabajo se centra en dos modalidades diferentes de imagen biomédica que per¬miten obtener tales adquisiciones multi-vista. La primera es una variante de la micro¬scopía de fluorescencia, la microscopía de fluorescencia mediante lámina de luz, que se utiliza para el estudio del desarrollo temprano de embriones vivos en diferentes modelos animales, como el pez cebra o el erizo de mar. La segunda modalidad es la resonancia magnética nuclear con realce tardío, que constituye una valiosa herramienta para evaluar la viabilidad del tejido miocárdico en pacientes con diversas miocardiopatías. Como parte de este trabajo, el método propuesto ha sido aplicado y validado en am¬bas modalidades de imagen. En el caso de la aplicación a microscopía de fluorescencia, los resultados de la fusión muestran un mejor contraste y nivel de detalle en comparación con cualquiera de las vistas individuales y el método no requiere de conocimiento previo acerca la función de dispersión puntual del sistema de imagen. Además, los resultados se han comparado con otros métodos existentes. Con respecto a la aplicación a imagen de resonancia magnética con realce tardío, los volúmenes fusionados resultantes pre-sentan una mejora cuantitativa en la nitidez de las estructuras relevantes y permiten una interpretación más sencilla y completa de la compleja estructura tridimensional del tejido miocárdico en pacientes con cardiopatía isquémica. Para ambas aplicaciones los resultados de esta tesis se encuentran actualmente en uso en los centros clínicos y de investigación con los que el autor ha colaborado durante este trabajo. Además se ha puesto a libre disposición de la comunidad científica la implementación del método de fusión propuesto. Por último, se ha tramitado también una solicitud de patente internacional que cubre el método de visualización desarrollado para la aplicación de Resonancia Magnética Nuclear. Abstract Nowadays three dimensional imaging techniques are common in several fields, but es-pecially in biomedical imaging, where we can find a wide range of techniques including: Laser Scanning Confocal Microscopy, Laser Scanning Two Photon Microscopy, Light Sheet Fluorescence Microscopy, Magnetic Resonance Imaging, Positron Emission To-mography, Optical Coherence Tomography, 3D Ultrasound Imaging, etc. A common denominator of all those applications being the constant need for further increasing resolution and quality of the acquired images. Interestingly, in some of the mentioned three-dimensional imaging techniques a remarkable situation arises: while a single volume does not contain enough information to represent the object being imaged within the quality parameters required by the final application, the acquisition scheme allows recording several volumes which represent different views of a given object, with each of the views providing complementary information. In this kind of situation one can get a better understanding of the object by combining several views instead of looking at each of them separately. Within such context, in this PhD Thesis we propose, develop and test new image processing methodologies based on the discrete wavelet transform for the combination, or fusion, of several views containing complementary information of a given object. The proposed fusion method exploits the scale and orientation decomposition capabil¬ities of the discrete wavelet transform to integrate in a single volume all the available information distributed among the set of acquired views. The work focuses in two different biomedical imaging modalities which provide such multi-view datasets. The first one is a particular fluorescence microscopy technique, Light-Sheet Fluorescence Microscopy, used for imaging and gaining understanding of the early development of live embryos from different animal models (like zebrafish or sea urchin). The second is Delayed Enhancement Magnetic Resonance Imaging, which is a valuable tool for assessing the viability of myocardial tissue on patients suffering from different cardiomyopathies. As part of this work, the proposed method was implemented and then validated on both imaging modalities. For the fluorescence microscopy application, the fusion results show improved contrast and detail discrimination when compared to any of the individual views and the method does not rely on prior knowledge of the system’s point spread function (PSF). Moreover, the results have shown improved performance with respect to previous PSF independent methods. With respect to its application to Delayed Enhancement Magnetic Resonance Imaging, the resulting fused volumes show a quantitative sharpness improvement and enable an easier and more complete interpretation of complex three-dimensional scar and heterogeneous tissue information in ischemic cardiomyopathy patients. In both applications, the results of this thesis are currently in use in the clinical and research centers with which the author collaborated during his work. An imple¬mentation of the fusion method has also been made freely available to the scientific community. Finally, an international patent application has been filed covering the visualization method developed for the Magnetic Resonance Imaging application.

Methods for the analysis of multi-scale cell dynamics from fluorescence microscopy images

La embriogénesis es el proceso mediante el cual una célula se convierte en un ser un vivo. A lo largo de diferentes etapas de desarrollo, la población de células va proliferando a la vez que el embrión va tomando forma y se configura. Esto es posible gracias a la acción de varios procesos genéticos, bioquímicos y mecánicos que interaccionan y se regulan entre ellos formando un sistema complejo que se organiza a diferentes escalas espaciales y temporales. Este proceso ocurre de manera robusta y reproducible, pero también con cierta variabilidad que permite la diversidad de individuos de una misma especie. La aparición de la microscopía de fluorescencia, posible gracias a proteínas fluorescentes que pueden ser adheridas a las cadenas de expresión de las células, y los avances en la física óptica de los microscopios han permitido observar este proceso de embriogénesis in-vivo y generar secuencias de imágenes tridimensionales de alta resolución espacio-temporal. Estas imágenes permiten el estudio de los procesos de desarrollo embrionario con técnicas de análisis de imagen y de datos, reconstruyendo dichos procesos para crear la representación de un embrión digital. Una de las más actuales problemáticas en este campo es entender los procesos mecánicos, de manera aislada y en interacción con otros factores como la expresión genética, para que el embrión se desarrolle. Debido a la complejidad de estos procesos, estos problemas se afrontan mediante diferentes técnicas y escalas específicas donde, a través de experimentos, pueden hacerse y confrontarse hipótesis, obteniendo conclusiones sobre el funcionamiento de los mecanismos estudiados. Esta tesis doctoral se ha enfocado sobre esta problemática intentando mejorar las metodologías del estado del arte y con un objetivo específico: estudiar patrones de deformación que emergen del movimiento organizado de las células durante diferentes estados del desarrollo del embrión, de manera global o en tejidos concretos. Estudios se han centrado en la mecánica en relación con procesos de señalización o interacciones a nivel celular o de tejido. En este trabajo, se propone un esquema para generalizar el estudio del movimiento y las interacciones mecánicas que se desprenden del mismo a diferentes escalas espaciales y temporales. Esto permitiría no sólo estudios locales, si no estudios sistemáticos de las escalas de interacción mecánica dentro de un embrión. Por tanto, el esquema propuesto obvia las causas de generación de movimiento (fuerzas) y se centra en la cuantificación de la cinemática (deformación y esfuerzos) a partir de imágenes de forma no invasiva. Hoy en día las dificultades experimentales y metodológicas y la complejidad de los sistemas biológicos impiden una descripción mecánica completa de manera sistemática. Sin embargo, patrones de deformación muestran el resultado de diferentes factores mecánicos en interacción con otros elementos dando lugar a una organización mecánica, necesaria para el desarrollo, que puede ser cuantificado a partir de la metodología propuesta en esta tesis. La metodología asume un medio continuo descrito de forma Lagrangiana (en función de las trayectorias de puntos materiales que se mueven en el sistema en lugar de puntos espaciales) de la dinámica del movimiento, estimado a partir de las imágenes mediante métodos de seguimiento de células o de técnicas de registro de imagen. Gracias a este esquema es posible describir la deformación instantánea y acumulada respecto a un estado inicial para cualquier dominio del embrión. La aplicación de esta metodología a imágenes 3D + t del pez zebra sirvió para desvelar estructuras mecánicas que tienden a estabilizarse a lo largo del tiempo en dicho embrión, y que se organizan a una escala semejante al del mapa de diferenciación celular y con indicios de correlación con patrones de expresión genética. También se aplicó la metodología al estudio del tejido amnioserosa de la Drosophila (mosca de la fruta) durante el cierre dorsal, obteniendo indicios de un acoplamiento entre escalas subcelulares, celulares y supracelulares, que genera patrones complejos en respuesta a la fuerza generada por los esqueletos de acto-myosina. En definitiva, esta tesis doctoral propone una estrategia novedosa de análisis de la dinámica celular multi-escala que permite cuantificar patrones de manera inmediata y que además ofrece una representación que reconstruye la evolución de los procesos como los ven las células, en lugar de como son observados desde el microscopio. Esta metodología por tanto permite nuevas formas de análisis y comparación de embriones y tejidos durante la embriogénesis a partir de imágenes in-vivo. ABSTRACT The embryogenesis is the process from which a single cell turns into a living organism. Through several stages of development, the cell population proliferates at the same time the embryo shapes and the organs develop gaining their functionality. This is possible through genetic, biochemical and mechanical factors that are involved in a complex interaction of processes organized in different levels and in different spatio-temporal scales. The embryogenesis, through this complexity, develops in a robust and reproducible way, but allowing variability that makes possible the diversity of living specimens. The advances in physics of microscopes and the appearance of fluorescent proteins that can be attached to expression chains, reporting about structural and functional elements of the cell, have enabled for the in-vivo observation of embryogenesis. The imaging process results in sequences of high spatio-temporal resolution 3D+time data of the embryogenesis as a digital representation of the embryos that can be further analyzed, provided new image processing and data analysis techniques are developed. One of the most relevant and challenging lines of research in the field is the quantification of the mechanical factors and processes involved in the shaping process of the embryo and their interactions with other embryogenesis factors such as genetics. Due to the complexity of the processes, studies have focused on specific problems and scales controlled in the experiments, posing and testing hypothesis to gain new biological insight. However, methodologies are often difficult to be exported to study other biological phenomena or specimens. This PhD Thesis is framed within this paradigm of research and tries to propose a systematic methodology to quantify the emergent deformation patterns from the motion estimated in in-vivo images of embryogenesis. Thanks to this strategy it would be possible to quantify not only local mechanisms, but to discover and characterize the scales of mechanical organization within the embryo. The framework focuses on the quantification of the motion kinematics (deformation and strains), neglecting the causes of the motion (forces), from images in a non-invasive way. Experimental and methodological challenges hamper the quantification of exerted forces and the mechanical properties of tissues. However, a descriptive framework of deformation patterns provides valuable insight about the organization and scales of the mechanical interactions, along the embryo development. Such a characterization would help to improve mechanical models and progressively understand the complexity of embryogenesis. This framework relies on a Lagrangian representation of the cell dynamics system based on the trajectories of points moving along the deformation. This approach of analysis enables the reconstruction of the mechanical patterning as experienced by the cells and tissues. Thus, we can build temporal profiles of deformation along stages of development, comprising both the instantaneous events and the cumulative deformation history. The application of this framework to 3D + time data of zebrafish embryogenesis allowed us to discover mechanical profiles that stabilized through time forming structures that organize in a scale comparable to the map of cell differentiation (fate map), and also suggesting correlation with genetic patterns. The framework was also applied to the analysis of the amnioserosa tissue in the drosophila’s dorsal closure, revealing that the oscillatory contraction triggered by the acto-myosin network organized complexly coupling different scales: local force generation foci, cellular morphology control mechanisms and tissue geometrical constraints. In summary, this PhD Thesis proposes a theoretical framework for the analysis of multi-scale cell dynamics that enables to quantify automatically mechanical patterns and also offers a new representation of the embryo dynamics as experienced by cells instead of how the microscope captures instantaneously the processes. Therefore, this framework enables for new strategies of quantitative analysis and comparison between embryos and tissues during embryogenesis from in-vivo images.