Computational methods to create and analyze a digital gene expression atlas of embryo development from microscopy images

Abstract The creation of atlases, or digital models where information from different subjects can be combined, is a field of increasing interest in biomedical imaging. When a single image does not contain enough information to appropriately describe the organism under study, it is then necessary to acquire images of several individuals, each of them containing complementary data with respect to the rest of the components in the cohort. This approach allows creating digital prototypes, ranging from anatomical atlases of human patients and organs, obtained for instance from Magnetic Resonance Imaging, to gene expression cartographies of embryo development, typically achieved from Light Microscopy. Within such context, in this PhD Thesis we propose, develop and validate new dedicated image processing methodologies that, based on image registration techniques, bring information from multiple individuals into alignment within a single digital atlas model. We also elaborate a dedicated software visualization platform to explore the resulting wealth of multi-dimensional data and novel analysis algo-rithms to automatically mine the generated resource in search of bio¬logical insights. In particular, this work focuses on gene expression data from developing zebrafish embryos imaged at the cellular resolution level with Two-Photon Laser Scanning Microscopy. Disposing of quantitative measurements relating multiple gene expressions to cell position and their evolution in time is a fundamental prerequisite to understand embryogenesis multi-scale processes. However, the number of gene expressions that can be simultaneously stained in one acquisition is limited due to optical and labeling constraints. These limitations motivate the implementation of atlasing strategies that can recreate a virtual gene expression multiplex. The developed computational tools have been tested in two different scenarios. The first one is the early zebrafish embryogenesis where the resulting atlas constitutes a link between the phenotype and the genotype at the cellular level. The second one is the late zebrafish brain where the resulting atlas allows studies relating gene expression to brain regionalization and neurogenesis. The proposed computational frameworks have been adapted to the requirements of both scenarios, such as the integration of partial views of the embryo into a whole embryo model with cellular resolution or the registration of anatom¬ical traits with deformable transformation models non-dependent on any specific labeling. The software implementation of the atlas generation tool (Match-IT) and the visualization platform (Atlas-IT) together with the gene expression atlas resources developed in this Thesis are to be made freely available to the scientific community. Lastly, a novel proof-of-concept experiment integrates for the first time 3D gene expression atlas resources with cell lineages extracted from live embryos, opening up the door to correlate genetic and cellular spatio-temporal dynamics. La creación de atlas, o modelos digitales, donde la información de distintos sujetos puede ser combinada, es un campo de creciente interés en imagen biomédica. Cuando una sola imagen no contiene suficientes datos como para describir apropiadamente el organismo objeto de estudio, se hace necesario adquirir imágenes de varios individuos, cada una de las cuales contiene información complementaria respecto al resto de componentes del grupo. De este modo, es posible crear prototipos digitales, que pueden ir desde atlas anatómicos de órganos y pacientes humanos, adquiridos por ejemplo mediante Resonancia Magnética, hasta cartografías de la expresión genética del desarrollo de embrionario, típicamente adquiridas mediante Microscopía Optica. Dentro de este contexto, en esta Tesis Doctoral se introducen, desarrollan y validan nuevos métodos de procesado de imagen que, basándose en técnicas de registro de imagen, son capaces de alinear imágenes y datos provenientes de múltiples individuos en un solo atlas digital. Además, se ha elaborado una plataforma de visualization específicamente diseñada para explorar la gran cantidad de datos, caracterizados por su multi-dimensionalidad, que resulta de estos métodos. Asimismo, se han propuesto novedosos algoritmos de análisis y minería de datos que permiten inspeccionar automáticamente los atlas generados en busca de conclusiones biológicas significativas. En particular, este trabajo se centra en datos de expresión genética del desarrollo embrionario del pez cebra, adquiridos mediante Microscopía dos fotones con resolución celular. Disponer de medidas cuantitativas que relacionen estas expresiones genéticas con las posiciones celulares y su evolución en el tiempo es un prerrequisito fundamental para comprender los procesos multi-escala característicos de la morfogénesis. Sin embargo, el número de expresiones genéticos que pueden ser simultáneamente etiquetados en una sola adquisición es reducido debido a limitaciones tanto ópticas como del etiquetado. Estas limitaciones requieren la implementación de estrategias de creación de atlas que puedan recrear un multiplexado virtual de expresiones genéticas. Las herramientas computacionales desarrolladas han sido validadas en dos escenarios distintos. El primer escenario es el desarrollo embrionario temprano del pez cebra, donde el atlas resultante permite constituir un vínculo, a nivel celular, entre el fenotipo y el genotipo de este organismo modelo. El segundo escenario corresponde a estadios tardíos del desarrollo del cerebro del pez cebra, donde el atlas resultante permite relacionar expresiones genéticas con la regionalización del cerebro y la formación de neuronas. La plataforma computacional desarrollada ha sido adaptada a los requisitos y retos planteados en ambos escenarios, como la integración, a resolución celular, de vistas parciales dentro de un modelo consistente en un embrión completo, o el alineamiento entre estructuras de referencia anatómica equivalentes, logrado mediante el uso de modelos de transformación deformables que no requieren ningún marcador específico. Está previsto poner a disposición de la comunidad científica tanto la herramienta de generación de atlas (Match-IT), como su plataforma de visualización (Atlas-IT), así como las bases de datos de expresión genética creadas a partir de estas herramientas. Por último, dentro de la presente Tesis Doctoral, se ha incluido una prueba conceptual innovadora que permite integrar los mencionados atlas de expresión genética tridimensionales dentro del linaje celular extraído de una adquisición in vivo de un embrión. Esta prueba conceptual abre la puerta a la posibilidad de correlar, por primera vez, las dinámicas espacio-temporales de genes y células.

Tomas Lopez's Geographic Atlas of Spain (1787) and its Hydrographic Network: GIS analysis of the Reyno de Jaen

Knowledge of the development of hydrographic networks can be useful for a number of research works in hydraulic engineering. We thus, intend to analyse the cartography regarding the first work that systematically encompasses the entire hydrographic network: Tomas Lopez’s Geographic Atlas of Spain (1787). In order to achieve this goal, we will first analyze –by way of the Geographic Information System (GIS) – both the present and referred historical cartographies. In comparing them, we will use the then-existing population centres that correspond to modern ones. The aim is to compare the following research variables in the hydrographic network: former toponyms, length of riverbeds and distance to population centres. The results of this study will show the variation in the riverbeds and the probable change in their denomination.

Cartografía local y sistemas de información geográfica participativos como herramientas de consolidación de la identidad local en la planificación urbana y territorial

Una de las características de la cartografía y SIG Participativos (SIGP) es incluir en sus métodos a la sociedad civil para aportar contenidos cualitativos a la información de sus territorios. Sin embargo no sólo se trata de datos, sino de los efectos que pueden tener estas prácticas sobre el territorio y su sociedad. El acceso a esa información se ve reducida en contraste con el incremento de información difundida a través de servicios de visualización, geoinformación y cartografía on-line. Todo esto hace que sea necesario el análisis del alcance real de las metodologías participativas en el uso de Información Geográfica (IG) y la comparación desde distintos contextos geográficos. También es importante conocer los beneficios e inconvenientes del acceso a la información para el planeamiento; desde la visibilidad de muchos pueblos desapercibidos en zonas rurales y periféricas, hasta la influencia en programas de gobierno sobre la gestión del territorio pasando por el conocimiento local espacial. El análisis se centró en los niveles de participación de la sociedad civil y sus grados de accesibilidad a la información (acceso y uso), dentro del estudio de los SIGP, Participatory Mapping, además se estudió de los TIG (Tecnologías de Información Geográfica), cartografías on-line (geoweb) y plataformas de geovisualización espacial, como recursos de Neocartografía. En este sentido, se realizó un trabajo de campo de cartografía participativa en Bolivia, se evaluaron distintos proyectos SIGP en países del norte y sur (comparativa de contextos en países en desarrollo) y se analizaron los resultados del cruce de las distintas variables.(validación, accesibilidad, verificación de datos, valor en la planificación e identidad) La tesis considera que ambos factores (niveles de participación y grado de accesibilidad) afectan a la (i) validación, verificación y calidad de los datos, la (ii) valor analítico en la planificación, y al (iii) modelo de identidad de un lugar, y que al ser tratados de forma integral, constituyen el valor añadido que los SIGP pueden aportar para lograr una planificación efectiva. Asimismo se comprueba, que la dimensión participativa en los SIGP varía según el contexto, la centralización de sus actores e intereses sectoriales. La información resultante de las prácticas SIGP tiende a estar restringida por la falta de legislaciones y por la ausencia de formatos estándar, que limitan la difusión e intercambio de la información. Todo esto repercute en la efectividad de una planificación estratégica y en la viabilidad de la implementación de cualquier proyecto sobre el territorio, y en consecuencia sobre los niveles de desarrollo de un país. Se confirma la hipótesis de que todos los elementos citados en los SIGP y mapeo participativo actuarán como herramientas válidas para el fortalecimiento y la eficacia en la planificación sólo si están interconectadas y vinculadas entre sí. Se plantea una propuesta metodológica ante las formas convencionales de planificación (nueva ruta del planeamiento; que incluye el intercambio de recursos y determinación participativa local antes de establecer la implementación), con ello, se logra incorporar los beneficios de las metodologías participativas en el manejo de la IG y los SIG (Sistemas de Información Geográfica) como instrumentos estratégicos para el desarrollo de la identidad local y la optimización en los procesos de planeamiento y estudios del territorio. Por último, se fomenta que en futuras líneas de trabajo los mapas de los SIGP y la cartografía participativa puedan llegar a ser instrumentos visuales representativos que transfieran valores identitarios del territorio y de su sociedad, y de esta manera, ayudar a alcanzar un mayor conocimiento, reconocimiento y valoración de los territorios para sus habitantes y sus planificadores. ABSTRACT A feature of participatory mapping and PGIS is to include the participation of the civil society, to provide qualitative information of their territories. However, focus is not only data, but also the effects that such practices themselves may have on the territory and their society. Access to this information is reduced in contrast to the increase of information disseminated through visualization services, geoinformation, and online cartography. Thus, the analysis of the real scope of participatory methodologies in the use of Geographic Information (GI) is necessary, including the comparison of different geographical contexts. It is also important to know the benefits and disadvantages of access to information needed for planning in different contexts, ranging from unnoticed rural areas and suburbs to influence on government programs on land management through local spatial knowledge. The analysis focused on the participation levels of civil society and the degrees of accessibility of the information (access and use) within the study of Participatory GIS (PGIS). In addition, this work studies GIT (Geographic Information Technologies), online cartographies (Geoweb) and platforms of spatial geovisualization, as resources of Neocartography. A participatory cartographic fieldwork was carried out in Bolivia. Several PGIS projects were evaluated in Northern and Southern countries (comparatively with the context of developing countries), and the results were analyzed for each these different variables. (validation, accessibility, verification,value, identity). The thesis considers that both factors (participation levels and degree of accessibility) affect the (i) validation, verification and quality of the data, (ii) analytical value for planning, and (iii) the identity of a place. The integrated management of all the above cited criteria constitutes an added value that PGISs can contribute to reach an effective planning. Also, it confirms the participatory dimension of PGISs varies according to the context, the centralization of its actors, and to sectorial interests. The resulting information from PGIS practices tends to be restricted by the lack of legislation and by the absence of standard formats, which limits in turn the diffusion and exchange of the information. All of this has repercussions in the effectiveness of a strategic planning and in the viability of the implementation of projects about the territory, and consequentially in the land development levels. The hypothesis is confirmed since all the described elements in PGISs and participatory mapping will act as valid tools in strengthening and improving the effectivity in planning only if they are interconnected and linked amongst themselves. This work, therefore, suggests a methodological proposal when faced with the conventional ways of planning: a new planning route which includes the resources exchange and local participatory determination before any plan is established -. With this, the benefits of participatory methodologies in the management of GI and GIS (Geographic Information Systems) is incorporated as a strategic instrument for development of local identity and optimization in planning processes and territory studies. Finally, the study outlines future work on PGIS maps and Participatory Mapping, such that these could eventually evolve into visual representative instruments that transfer identity values of the territory and its society. In this way, they would contribute to attain a better knowledge, recognition, and appraisement of the territories for their inhabitants and planners.

Cartografías dinámicas : cuerpo y movimiento en el espacio arquitectónico

El objetivo principal de esta tesis es la búsqueda de metodologías, herramientas, y procesos en las artes escénicas y las artes plásticas, que podrían ser aplicadas tanto en el análisis arquitectónico, como en los procesos proyectuales, para la construcción de una investigación en torno al movimiento en el espacio arquitectónico. Rudolf Laban, Anne Bogart, Adolphe Appia, Cedric Price, Joan Littlewood, y Hélio Oiticica, son autores que han trabajado en sus diferentes áreas desde las relaciones existentes entre cuerpo, espacio y movimiento. Los trabajos y propuestas de cada uno de ellos, nos posibilitan acercarnos al espacio desde cinco escalas, tomando el cuerpo como unidad básica: (1) cuerpo y envolvente (Rudolf Laban) (2) cuerpo y geometría (Anne Boggart) (3) cuerpo y espacio escénico (Adolphe Appia) (4) cuerpo y programa (Joan Littlewood/ Cedric Price) (5) cuerpo y paisaje (Hélio Oiticica) A partir de este soporte teórico, se plantean y se desarrollan varios ensayos, todos ellos vinculados a las escalas mencionadas, que permiten explorar de forma empírica algunas de las problemáticas propuestas. Algunos de ellos – Kinesferas Virtuales, Envolventes y Microacciones en Grecia – exploran la presencia del cuerpo en el espacio. En Kinetography I y II , se utiliza la cinetografía para la realización de estas cartografías dinámicas. La serie Cartografías Dinámicas (I, II y III), analiza el movimiento en espacios controlados geométricamente, a través de la técnica de los Viewpoints, de Anne Bogart. Finalmente, Kinetography III, propone el análisis de un espacio público urbano, a través de la transcripción del movimiento. ABSTRACT The main objective of this thesis is the search for methodologies, tools, and processes in the performance arts and visual arts, that could be applied both to architectural analysis and project processes, in order to construct an investigation of movement in the architectural space. Rudolf Laban, Anne Bogart, Adolphe Appia, Cedric Price, Joan Littlewood, and Hélio Oiticica, are practitioners who have worked within different areas of enquiry from the existing relations between body, space and movement. The works and proposals by each of these practitioners, enables us to approach the space from five scales, having the body as the basic unit: (1) body and surrounding space (Rudolf Laban) (2) body and geometry (Anne Bogart) (3) Body and scenic space (Adolphe Appia) (4) Body and program (Joan Littlewood/ Cedric Price) (5) Body and landscape (Hélio Oiticica) The work of these practitioners is essential in informing further investigation into spatial experience. The theories proposed within this thesis are linked to the scales detailed within their work, which allows for an empirical exploration of some notably problematic areas. Some of them --‐ Kinesferas Virtuales, Envolventes and Microacciones in Greece --‐ explore the presence of the body in the space. In Kinetography I and II, kinetography is used to create these dynamic cartographies. The series CartografíasDinámicas (I, II and III), analyses movement in geometrically controlled spaces, through the Viewpoints techniques, by Anne Bogart. Finally, Kinetography III, proposes the analysis of an urban public space, through the transcription of the body movement.