Multi-Environment Model Estimation for Motility Analysis of \u3cem\u3eCaenorhabditis elegans\u3c/em\u3e

The nematode Caenorhabditis elegans is a well-known model organism used to investigate fundamental questions in biology. Motility assays of this small roundworm are designed to study the relationships between genes and behavior. Commonly, motility analysis is used to classify nematode movements and characterize them quantitatively. Over the past years, C. elegans’ motility has been studied across a wide range of environments, including crawling on substrates, swimming in fluids, and locomoting through microfluidic substrates. However, each environment often requires customized image processing tools relying on heuristic parameter tuning. In the present study, we propose a novel Multi Environment Model Estimation (MEME) framework for automated image segmentation that is versatile across various environments. The MEME platform is constructed around the concept of Mixture of Gaussian (MOG) models, where statistical models for both the background environment and the nematode appearance are explicitly learned and used to accurately segment a target nematode. Our method is designed to simplify the burden often imposed on users; here, only a single image which includes a nematode in its environment must be provided for model learning. In addition, our platform enables the extraction of nematode ‘skeletons’ for straightforward motility quantification. We test our algorithm on various locomotive environments and compare performances with an intensity-based thresholding method. Overall, MEME outperforms the threshold-based approach for the overwhelming majority of cases examined. Ultimately, MEME provides researchers with an attractive platform for C. elegans’ segmentation and ‘skeletonizing’ across a wide range of motility assays

IMPACT UMaine Research, September 2022

Another record-setting year in research, recognizing outstanding research administrators and more. Featured stories include: UMaine\u27s research enterprise success continues with another record-setting year; Fergusson and VonTorne named Outstanding Research Administrators for 2022; Prentice studies the role of genetics in disease outbreaks among wild animal populations; Peter Avis appointed as new CORE director; Artificial Intelligence [AI] can be used to better monitor Maine\u27s forests

IMPACT UMaine Research, June 2022

A busy year for the UMaine Portland Gateway and the EMPOWER program participants. Featured stories include: The UMaine Portland Gateway completes inaugural year; UMaine EMPOWER program hosts workshop; New Garnegie R1 Classification webpage launched; 2022 Faculty Research Funds Announced; UMaine and lobster industry team up on innovative collaboration

2016 - The Twenty-first Annual Symposium of Student Scholars

The full program book from the Twenty-first Annual Symposium of Student Scholars, held on April 21, 2016. Includes abstracts from the presentations and posters.https://digitalcommons.kennesaw.edu/sssprograms/1015/thumbnail.jp

Unsupervised behavioral classification with 3D pose data from tethered Drosophila melanogaster

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica (Biofísica Médica e Fisiologia de Sistemas), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020O comportamento animal e guiado por instruções geneticamente codificadas, com contribuições do meio envolvente e experiências antecedentes. O mesmo pode ser considerado como o derradeiro output da atividade neuronal, pelo que o estudo do comportamento animal constitui um meio de compreensão dos mecanismos subjacentes ao funcionamento do cérebro animal. Para desvendar a correspondência entre cérebro e comportamento são necessárias ferramentas que consigam medir um comportamento de forma precisa, apreciável e coerente. O domínio científico responsável pelo estudo dos comportamentos dos animais denomina-se Etologia. No início do seculo XX, os etólogos categorizavam comportamentos animais com recurso as suas próprias intuições e experiência. Consequentemente, as suas avaliações eram subjetivas e desprovidas de comportamentos que os etólogos não considerassem a priori. Com o ressurgimento de novas técnicas de captura e analise de comportamentos, os etólogos transitaram para paradigmas mais objetivos, quantitativos da medição de comportamentos. Tais ferramentas analíticas fomentaram a construção de datasets comportamentais que, por sua vez, promoveram o desenvolvimento de softwares para a quantificação de comportamentos: rastreamento de trajetórias, classificação de ações, analise de padrões comportamentais em grandes escalas consistem nos exemplos mais preeminentes. Este trabalho encontra-se inserido na segunda categoria referida (classificação de ações). Os classificadores de ações dividem-se consoante são supervisionados ou não-supervisionados. A primeira categoria compreende classificadores treinados para reconhecer padrões específicos, definidos por um especialista humano. Esta categoria de classificadores e encontra-se limitada por: 1) necessitar de um processo extenuado de anotação de frames para treino do classificador; 2) subjetividade face ao especialista que classifica os mesmos frames, 3) baixa dimensionalidade, na medida em que a classificação reduz os complexos comportamentos a um só rotulo; 4) assunções erróneas; 5) preconceito humano face aos comportamentos observados. Por sua vez, os classificadores não-supervisionados seguem exaustivamente uma formula: 1) computer vision e empregue para a extração das características posturais do animal; 2) dá-se o pré-processamento dos dados, que inclui um modulo vital que envolve a construção de uma representação dinâmico-postural das ações do animal, de forma a capturar os elementos dinâmicos do comportamento; 3) segue-se um modulo opcional de redução de dimensionalidade, caso o utilizador deseje visualizar diretamente os dados num espaço de reduzidas dimensões; 4) efetua-se a atribuição de um rótulo a cada elemento dos dados, por via de um algoritmo que opera quer diretamente no espaço de alta dimensão, ou no de baixa dimensão, resultante do passo anterior. O objetivo deste trabalho passa por alcançar uma classificação objetiva e reproduzível, de forma não-supervisionada de frames de Drosophila melanogaster suspensas numa bola que flutua no ar, tentando minimizar o número de intuições requeridas para o efeito e, se possível, dissipar a influência dos aspetos morfológicos de cada individuo (garantindo assim uma classificação generalizada dos comportamentos destes insetos). Para alcançar tal classificação, este estudo recorre a uma ferramenta recém desenvolvida que regista a pose tridimensional de Drosophila fixas, o DeepFly3D, para construir um dataset com as coordenadas x-, y- e z-, ao longo do tempo, das posições de referência de um conjunto de três genótipos de Drosophila melanogaster (linhas aDN>CsChrimson, MDN-GAL4/+ e aDNGAL4/+). Sucede-se uma operação inovadora de normalização que recorre ao cálculo de ângulos entre pontos de referência adjacentes, como as articulações, antenas e riscas dorsais das moscas, por via de relações trigonométricas e a definição dos planos anatómicos das moscas, que visa atenuar os pesos das diferenças morfológicas das moscas, ou a sua orientação relativa as camaras do DeepFly3D, para o classificador. O modulo de normalização e sucedido por outro de analise de frequência, focado na extração das frequências relevantes nas series temporais dos ângulos calculados, bem como dos seus pesos relativos. O produto final do pré-processamento consiste numa matriz com a norma dos ditos pesos – a matriz de expressão do espaço dinâmico-postural. Subsequentemente, seguem-se os módulos de redução de dimensionalidade e de atribuição de clusters (pontos 3) e 4) do paragrafo anterior). Para os mesmos, são propostas seis configurações possíveis de algoritmos, submetidas de imediato a uma anélise comparativa, de forma a determinar a mais apta para classificar este tipo de dados. Os algoritmos de redução de dimensionalidade aqui postos a prova são o t-SNE (t-distributed Stochastic Neighbor Embedding) e o PCA (Principal Component Analysis), enquanto que os algoritmos de clustering comparados são o Watershed, GMM-posterior probability assignment e o HDBSCAN (Hierarchical Density Based Spatial Clustering of Applications with Noise). Cada uma das pipelines candidatas e finalmente avaliada mediante a observação dos vídeos inclusos nos clusters produzidos e, dado o vasto numero destes vídeos, bem como a possibilidade de uma validação subjetiva face a observadores distintos, com o auxilio de métricas que expressam determinados critérios abrangentes de qualidade dos clusters: 1) Fly uncompactness, que avalia a eficiência do modulo de normalização com ângulos de referencia da mosca; 2) Homogeneity, que procura garantir que os clusters não refletem a identidade ou o genótipo das moscas; 3) Cluster entropy, que afere a previsibilidade das transições entre os clusters; 4) Mean dwell time, que pondera o tempo que um individuo demora em media a realizar uma Acão. Dois critérios auxiliares extra são ainda considerados: o número de parâmetros que foram estimados pelo utilizador (quanto maior, mais limitada e a reprodutibilidade da pipeline) e o tempo de execução do algoritmo (que deve ser igualmente minimizado). Apesar de manter alguma subjetividade face aquilo a que o utilizador considera um “bom” cluster, a inclusão das métricas aproxima esta abordagem a um cenário ideal de completa autonomia entre a conceção de uma definição de comportamento, e a validação dos resultados que decorrem das suas conjeturas. Os desempenhos das pipelines candidatas divergiram largamente: os espaços resultantes das operações de redução de dimensionalidade demonstram-se heterogéneos e anisotrópicos, com a presença de sequências de pontos que tomam formas vermiformes, ao invés de um antecipado conglomerado de pontos desassociados. Estas trajetórias vermiformes limitam o desempenho dos algoritmos de clustering que operam nos espaços de baixas (duas, neste caso) dimensões. A ausência de um passo intermedio de amostragem do espaço dinâmico-postural explica a génese destas trajetórias vermiformes. Não obstante, as pipelines que praticam redução de dimensionalidade geraram melhores resultados que a pipeline que recorre a clustering com HDBSCAN diretamente sobre a matriz de expressão do espaço dinâmico-postural. A combinação mais fortuita de módulos de redução de dimensionalidade e clustering adveio da pipeline PCA30-t-SNE2-GMM. Embora não sejam absolutamente consistentes, os clusters resultantes desta pipeline incluem um comportamento que se sobressai face aos demais que se encontram inseridos no mesmo cluster (erroneamente). Lacunas destes clusters envolvem sobretudo a ocasional fusão de dois comportamentos distintos no mesmo cluster, ou a presença inoportuna de sequências de comportamentos nas quais a mosca se encontra imóvel (provavelmente o resultado de pequenos erros de deteção produzidos pelo DeepFly3D). Para mais, a pipeline PCA30-t-SNE2-GMM foi capaz de reconhecer diferenças no fenótipo comportamental de moscas, validadas pelas linhas genéticas das mesmas. Apesar dos resultados obtidos manifestarem visíveis melhorias face aqueles produzidos por abordagens semelhantes, sobretudo a nível de vídeos dos clusters, uma vez que só uma das abordagens inclui métricas de sucesso dos clusters, alguns aspetos desta abordagem requerem correções: a inclusão de uma etapa de amostragem, sucedida de um novo algoritmo que fosse capaz de realizar reduções de dimensionalidade consistentes, de forma a reunir todos os pontos no mesmo espaço embutido será possivelmente a característica mais capaz de acrescentar valor a esta abordagem. Futuras abordagens não deverão descurar o contributo de múltiplas representações comportamentais que possam vir a validar-se mutuamente, substituindo a necessidade de métricas de sucesso definidas pelos utilizadores.One of the preeminent challenges of Behavioral Neuroscience is the understanding of how the brain works and how it ultimately commands an animal’s behavior. Solving this brain-behavior linkage requires, on one end, precise, meaningful and coherent techniques for measuring behavior. Rapid technical developments in tools for collecting and analyzing behavioral data, paired with the immaturity of current approaches, motivate an ongoing search for systematic, unbiased behavioral classification techniques. To accomplish such a classification, this study employs a state-of-the-art tool for tracking 3D pose of tethered Drosophila, DeepFly3D, to collect a dataset of x-, y- and z- landmark positions over time, from tethered Drosophila melanogaster moving over an air-suspended ball. This is succeeded by unprecedented normalization across individual flies by computing the angles between adjoining landmarks, followed by standard wavelet analysis. Subsequently, six unsupervised behavior classification techniques are compared - four of which follow proven formulas, while the remaining two are experimental. Lastly, their performances are evaluated via meaningful metric scores along with cluster video assessment, as to ensure a fully unbiased cycle - from the conjecturing of a definition of behavior to the corroboration of the results that stem from its assumptions. Performances from different techniques varied significantly. Techniques that perform clustering in embedded low- (two-) dimensional spaces struggled with their heterogeneous and anisotropic nature. High-dimensional clustering techniques revealed that these properties emerged from the original highdimensional posture-dynamics spaces. Nonetheless, high and low-dimensional spaces disagree on the arrangement of their elements, with embedded data points showing hierarchical organization, which was lacking prior to their embedding. Low-dimensional clustering techniques were globally a better match against these spatial features and yielded more suitable results. Their candidate embedding algorithms alone were capable of revealing dissimilarities in preferred behaviors among contrasting genotypes of Drosophila. Lastly, the top-ranking classification technique produced satisfactory behavioral cluster videos (despite the irregular allocation of rest labels) in a consistent and repeatable manner, while requiring a marginal number of hand tuned parameters

Model and Appearance Based Analysis of Neuronal Morphology from Different Microscopy Imaging Modalities

The neuronal morphology analysis is key for understanding how a brain works. This process requires the neuron imaging system with single-cell resolution; however, there is no feasible system for the human brain. Fortunately, the knowledge can be inferred from the model organism, Drosophila melanogaster, to the human system. This dissertation explores the morphology analysis of Drosophila larvae at single-cell resolution in static images and image sequences, as well as multiple microscopy imaging modalities. Our contributions are on both computational methods for morphology quantification and analysis of the influence of the anatomical aspect. We develop novel model-and-appearance-based methods for morphology quantification and illustrate their significance in three neuroscience studies. Modeling of the structure and dynamics of neuronal circuits creates understanding about how connectivity patterns are formed within a motor circuit and determining whether the connectivity map of neurons can be deduced by estimations of neuronal morphology. To address this problem, we study both boundary-based and centerline-based approaches for neuron reconstruction in static volumes. Neuronal mechanisms are related to the morphology dynamics; so the patterns of neuronal morphology changes are analyzed along with other aspects. In this case, the relationship between neuronal activity and morphology dynamics is explored to analyze locomotion procedures. Our tracking method models the morphology dynamics in the calcium image sequence designed for detecting neuronal activity. It follows the local-to-global design to handle calcium imaging issues and neuronal movement characteristics. Lastly, modeling the link between structural and functional development depicts the correlation between neuron growth and protein interactions. This requires the morphology analysis of different imaging modalities. It can be solved using the part-wise volume segmentation with artificial templates, the standardized representation of neurons. Our method follows the global-to-local approach to solve both part-wise segmentation and registration across modalities. Our methods address common issues in automated morphology analysis from extracting morphological features to tracking neurons, as well as mapping neurons across imaging modalities. The quantitative analysis delivered by our techniques enables a number of new applications and visualizations for advancing the investigation of phenomena in the nervous system