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.

Quality-optimization algorithm based on stochastic dynamic programming for MPEG DASH video streaming

In contrast to traditional push-based protocols, adaptive streaming techniques like Dynamic Adaptive Streaming over HTTP (DASH) fix attention on the client, who dynamically requests different-quality portions of the content to cope with a limited and variable bandwidth but aiming at maximizing the quality perceived by the user. Since DASH adaptation logic at the client is not covered by the standard, we propose a solution based on Stochastic Dynamic Programming (SDP) techniques to find the optimal request policies that guarantee the users' Quality of Experience (QoE). Our algorithm is evaluated in a simulated streaming session and is compared with other adaptation approaches. The results show that our proposal outperforms them in terms of QoE, requesting higher qualities on average.

Reconfigurable video code (RVC) : aplicación para automatizar la asignación de procesos RUC a los núcleos de un sistema multiprocesador

El esquema actual que existe en el ámbito de la normalización y el diseño de nuevos estándares de codificación de vídeo se está convirtiendo en una tarea difícil de satisfacer la evolución y dinamismo de la comunidad de codificación de vídeo. El problema estaba centrado principalmente en poder explotar todas las características y similitudes entre los diferentes códecs y estándares de codificación. Esto ha obligado a tener que rediseñar algunas partes comunes a varios estándares de codificación. Este problema originó la aparición de una nueva iniciativa de normalización dentro del comité ISO/IEC MPEG, llamado Reconfigurable Video Coding (RVC). Su principal idea era desarrollar un estándar de codificación de vídeo que actualizase e incrementase progresivamente una biblioteca de los componentes, aportando flexibilidad y la capacidad de tener un código reconfigurable mediante el uso de un nuevo lenguaje orientado a flujo de Actores/datos denominado CAL. Este lenguaje se usa para la especificación de la biblioteca estándar y para la creación de instancias del modelo del decodificador. Más tarde, se desarrolló un nuevo estándar de codificación de vídeo denominado High Efficiency Video Coding (HEVC), que actualmente se encuentra en continuo proceso de actualización y desarrollo, que mejorase la eficiencia y compresión de la codificación de vídeo. Obviamente se ha desarrollado una visión de HEVC empleando la metodología de RVC. En este PFC, se emplean diferentes implementaciones de estándares empleando RVC. Por ejemplo mediante los decodificadores Mpeg 4 Part 2 SP y Mpeg 4 Part 10 CBP y PHP así como del nuevo estándar de codificación HEVC, resaltando las características y utilidad de cada uno de ellos. En RVC los algoritmos se describen mediante una clase de actores que intercambian flujos de datos (tokens) para realizar diferentes acciones. El objetivo de este proyecto es desarrollar un programa que, partiendo de los decodificadores anteriormente mencionados, una serie de secuencia de vídeo en diferentes formatos de compresión y una distribución estándar de los actores (para cada uno de los decodificadores), sea capaz de generar diferentes distribuciones de los actores del decodificador sobre uno o varios procesadores del sistema sobre el que se ejecuta, para conseguir la mayor eficiencia en la codificación del vídeo. La finalidad del programa desarrollado en este proyecto es la de facilitar la realización de las distribuciones de los actores sobre los núcleos del sistema, y obtener las mejores configuraciones posibles de una manera automática y eficiente. ABSTRACT. The current scheme that exists in the field of standardization and the design of new video coding standards is becoming a difficult task to meet the evolving and dynamic community of video encoding. The problem was centered mainly in order to exploit all the features and similarities between different codecs and encoding standards. This has forced redesigning some parts common to several coding standards. This problem led to the emergence of a new initiative for standardization within the ISO / IEC MPEG committee, called Reconfigurable Video Coding (RVC). His main idea was to develop a video coding standard and gradually incrementase to update a library of components, providing flexibility and the ability to have a reconfigurable code using a new flow -oriented language Actors / data called CAL. This language is used for the specification of the standard library and to the instantiation model decoder. Later, a new video coding standard called High Efficiency Video Coding (HEVC), which currently is in continuous process of updating and development, which would improve the compression efficiency and video coding is developed. Obviously has developed a vision of using the methodology HEVC RVC. In this PFC, different implementations using RVC standard are used. For example, using decoders MPEG 4 Part 2 SP and MPEG 4 Part 10 CBP and PHP and the new coding standard HEVC, highlighting the features and usefulness of each. In RVC, the algorithms are described by a class of actors that exchange streams of data (tokens) to perform different actions. The objective of this project is to develop a program that, based on the aforementioned decoders, a series of video stream in different compression formats and a standard distribution of actors (for each of the decoders), is capable of generating different distributions decoder actors on one or more processors of the system on which it runs, to achieve greater efficiency in video coding. The purpose of the program developed in this project is to facilitate the realization of the distributions of the actors on the cores of the system, and get the best possible settings automatically and efficiently.

Subjective quality assessment of an adaptive video streaming model

With the recent increased popularity and high usage of HTTP Adaptive Streaming (HAS) techniques, various studies have been carried out in this area which generally focused on the technical enhancement of HAS technology and applications. However, a lack of common HAS standard led to multiple proprietary approaches which have been developed by major Internet companies. In the emerging MPEG-DASH standard the packagings of the video content and HTTP syntax have been standardized; but all the details of the adaptation behavior are left to the client implementation. Nevertheless, to design an adaptation algorithm which optimizes the viewing experience of the enduser, the multimedia service providers need to know about the Quality of Experience (QoE) of different adaptation schemes. Taking this into account, the objective of this experiment was to study the QoE of a HAS-based video broadcast model. The experiment has been carried out through a subjective study of the end user response to various possible clients’ behavior for changing the video quality taking different QoE-influence factors into account. The experimental conclusions have made a good insight into the QoE of different adaptation schemes which can be exploited by HAS clients for designing the adaptation algorithms.