Cellects: Ein innovatives Tool zur Analyse von Wachstum

Alle Lebewesen wachsen. Dieses Wachstum kann auf zwei Arten geschehen: einmal durch die Entwicklung einzelner Organismen und zum anderen durch die Zunahme der Anzahl einer Population. Dank neuer Bildgebungsverfahren ist es einfacher und günstiger geworden, das Wachstum lebender Organismen festzuhalten. Wir können jetzt viele Arten von Daten sammeln, darunter Videos, die zeigen, wie sich Organismen über die Zeit verändern. Die Analyse dieser Daten kann jedoch knifflig sein.

#Herausforderungen bei der Analyse von Wachstumsdaten

Die Analyse von Videos biologischen Wachstums ist nicht einfach. Unterschiedliche Teile eines Organismus können anders aussehen. Zum Beispiel haben neue Teile oft andere Farben oder Dichten im Vergleich zu älteren Teilen. Wenn der Hintergrund, vor dem die Organismen betrachtet werden, nicht klar ist, kann das auch verwirrend sein. Wachstumsmodi können ausserdem komplex und nicht immer vorhersehbar sein.

Verschiedene Arten von Organismen sehen unterschiedlich aus und haben unterschiedliche Verhaltensweisen, was es schwierig macht, eine Einheitssoftware zur Messung des Wachstums zu erstellen. Die meisten bestehenden Programme konzentrieren sich auf eine einzige Art von Organismus – wie Bakterien oder Pflanzen – und viele haben keine benutzerfreundliche Oberfläche. Einige sind kommerzielle Programme, die Geld kosten, und sie können von den Nutzern nicht verändert oder verbessert werden, da sie nicht open-source sind.

Darüber hinaus bieten viele Analysetools nur begrenzte Ausgabedaten. Die wenigen verfügbaren Open-Source-Programme decken nicht vollständig die Vielzahl von Variablen ab, die für eine gründliche Analyse erforderlich sind, und sie haben oft Schwierigkeiten mit variierenden Licht- und Farbbedingungen.

#Einführung in Cellects

Um diese Probleme zu lösen, haben wir Cellects entwickelt. Diese Software ist dafür gedacht, das Wachstum verschiedener Organismen zu messen. Sie ist einfach zu installieren und hat eine benutzerfreundliche Oberfläche, die den Nutzern hilft, Einstellungen für unterschiedliche Licht- und Farbbedingungen anzupassen. Cellects bietet eine breite Palette von Ausgabemetriken, einschliesslich geometrischer Messungen, und es gibt Werkzeuge zur Überprüfung und Validierung der Ergebnisse.

Cellects wurde an zwei Organismen getestet: dem Schleimpilz Physarum polycephalum und dem sich entwickelnden Embryo des Coturnix japonica Wachtels. Es ist jedoch auch für viele andere Organismen wie Pilze, Bakterien und Pflanzen geeignet.

#Funktionen von Cellects

Cellects kann das Wachstum und die Bewegung eines oder mehrerer Organismen in Videos messen. Es findet die Bereiche, die von diesen Organismen in jedem Frame eingenommen werden, die als rohe Ausgaben dienen. Die Software berechnet verschiedene Merkmale wie Fläche, Umfang und Formmetriken über die Zeit und speichert die Ergebnisse in einem leicht lesbaren Format.

#Benutzerfreundliche Oberfläche

Die Installation von Cellects ist einfach. Es bietet eine Installation mit einem Klick für Windows-Nutzer und kann auch auf anderen Betriebssystemen über Python installiert werden. Die Benutzeroberfläche ist so gestaltet, dass sie den Nutzern hilft, die besten Einstellungen auszuwählen, wodurch es für jeden einfach ist, seine Daten zu analysieren.

Cellects kann Videos verarbeiten, die mehrere Bereiche zur Analyse enthalten, und mehrere Organismen verfolgen, die im Laufe der Zeit erscheinen, verschwinden und sich verändern können. Ausserdem kann die Software mehrere Videoordner gleichzeitig bearbeiten. Sie ist so konzipiert, dass sie das Wachstum von Organismen selbst dann erkennt, wenn es in den Bildern nicht viel Kontrast gibt.

#Wie Cellects Bilder analysiert

Cellects nutzt bekannte Computer Vision-Techniken, um Bilder zu verarbeiten. Die Analyse erfolgt in mehreren Schritten. Zuerst wird das erste Bild in ein Graustufenbild umgewandelt, um Unterschiede zwischen den Organismen und ihrem Hintergrund hervorzuheben. Der Nutzer kann aus verschiedenen Farbkombinationen wählen, um die zu finden, die am besten zu seinem Datensatz passt.

Nachdem das erste Bild analysiert wurde, erkennt Cellects automatisch andere Bereiche im Video und schneidet sie für die individuelle Analyse zu. Eine Reihe von Techniken wird dann verwendet, um das Wachstum und die Bewegung der Organismen im gesamten Video zu verfolgen.

Schliesslich wendet die Software Filter an, um die Ergebnisse zu verbessern und sicherzustellen, dass Ungenauigkeiten korrigiert werden. Wenn während der Analyse Fehler gemacht werden, haben die Nutzer die Möglichkeit, die Parameter anzupassen oder die Daten erneut zu analysieren.

#Validierung von Cellects

Um zu testen, wie gut Cellects funktioniert, haben wir eine Reihe von Experimenten mit Videos des riesigen Schleimpilzes Physarum polycephalum durchgeführt. Dieser Organismus ist bekannt für seine einzigartige Struktur und sein Verhalten, was es uns ermöglicht hat, unser Software unter verschiedenen Bedingungen herauszufordern, um zu sehen, wie gut es Wachstum erkennt.

#Verschiedene Testbedingungen

Wir haben Cellects unter fünf verschiedenen Bedingungen validiert:

1. Hoher Kontrast, optimales Setup: Die beste Situation für die Analyse, wo es die Zellen und den Hintergrund leicht erkennt.

2. Hoher Kontrast, mehrere Farben: Zellen sind mit verschiedenen Farben im Hintergrund gemischt, was die Komplexität erhöht, aber immer noch gute Ergebnisse liefert.

3. Niedriger Kontrast, heterogener Hintergrund: Schwierigerere Bedingungen, bei denen der Hintergrund verwirrend ist, aber Cellects trotzdem recht gut abschneidet.

4. Niedrigerer Kontrast, heller Hintergrund: Die klaren Hintergrundbedingungen helfen, aber andere Faktoren stellen trotzdem Herausforderungen dar.

5. Niedriger Kontrast, niedrige Auflösung: Die härtesten Bedingungen für die Erkennung, dennoch behält Cellects ein gutes Mass an Genauigkeit.

#Leistungsresultate

Cellects zeigte beeindruckende Ergebnisse, besonders unter den besten Bedingungen, wo es 99,76 % der Zellen korrekt erkannte und den Hintergrund präzise identifizierte. Selbst als die Bedingungen komplizierter wurden, konnte die Software eine Genauigkeit von über 97 % aufrechterhalten.

Als wir die Ergebnisse der Software mit manuellen Korrekturen verglichen, stellten wir fest, dass sie nur sehr wenige grobe Fehler machte. Das bedeutet, dass Cellects zuverlässig Forschern bei der Analyse von Wachstum in verschiedenen Situationen helfen kann.

#Fazit und zukünftige Anwendungen von Cellects

Cellects ist ein innovatives Tool für diejenigen, die Zellwachstum und Verhalten studieren. Es ermöglicht Forschern, eine Fülle von morphologischen und dynamischen Informationen zu sammeln, und es hat sich unter verschiedenen Bedingungen als effektiv erwiesen.

Die Software ist nicht nur für die Grundlagenforschung gedacht; sie kann auch verwendet werden, um spezifische Fragen oder Hypothesen zu testen. Zum Beispiel könnten Forscher, die untersuchen, wie Schleimpilze sich in ihrer Umgebung orientieren, von Cellects profitieren, indem sie Bewegungspatterns mit biologischem Verhalten verknüpfen.

Während sich Cellects weiterentwickelt, könnten wir zusätzliche Funktionen sehen, die ihre Nützlichkeit weiter erhöhen, darunter bessere Möglichkeiten zur Analyse komplexer Strukturen und Verhaltensweisen.

Durch die Bereitstellung einer zugänglichen, flexiblen Lösung zur Messung des Wachstums lebender Organismen öffnet Cellects die Tür für umfassendere Forschung und Datensammlung. Dies hilft, die biologischen Prozesse zu verstehen, die das Wachstum und die Entwicklung über viele verschiedene Arten hinweg antreiben.