Кіріспе

Сандық өлшем және пішін зерттеуі

Морфометрия (грекше μορφή morphe, "пішін, форма" және μετρία metria, "өлшеу") немесе морфометрия – пішіннің сандық талдауы, бұл өлшем мен пішінге қатысты ұғым. Морфометриялық талдаулар көбінесе тірі организмдерде жүргізіледі және олардың қазба қалдықтарын, пішінге мутациялардың әсерін, пішіннің даму өзгерістерін, экологиялық факторлар мен пішін арасындағы байланыстарды, сондай-ақ пішіннің сандық генетикалық параметрлерін бағалау үшін пайдалы. Морфометрия эволюциялық маңызы бар белгіні сандық түрде анықтауға және пішіндегі өзгерістерді анықтау арқылы олардың онтогенезі, қызметі немесе эволюциялық байланыстары туралы мәліметтер алуға мүмкіндік береді. Морфометрияның басты мақсаты – пішінге әсер ететін факторлар туралы гипотезаларды статистикалық тұрғыдан тексеру. "Морфометрия" кең мағынада, ми сияқты органдардың белгілі бір аймақтарын нақты анықтау және басқа да нысандардың пішіндерін сипаттау үшін де қолданылады.

Нысандар

Әдетте форманы зерттеуде үш негізгі тәсіл ажыратылады: дәстүрлі морфометрия, нүктелік морфометрия және контурлық морфометрия.

"Традициялық" морфометрия

Дәстүрлі морфометрия ұзындықтарды, ендерді, массаларды, бұрыштарды, қатынастарды және аудандарды талдайды. Жалпы, дәстүрлі морфометриялық деректер – өлшемдер болып табылады. Көптеген өлшемдерді пайдаланудың кемшілігі – олардың көпшілігі жоғары дәрежеде байланысты болады; нәтижесінде, көптеген өлшемдерге қарамастан тәуелсіз айнымалылардың саны аз. Мысалы, тібік сүйегінің ұзындығы жамбас сүйегінің ұзындығымен, сондай-ақ иық сүйегінің және шынтақ сүйегінің ұзындығымен, тіпті бас өлшемдерімен де байланысты өзгереді. Дәстүрлі морфометриялық деректер, мысалы, өсуді зерттеуде абсолютті немесе салыстырмалы өлшемдер ерекше қызығушылық тудыратын жағдайда пайдалы. Бұл деректер сондай-ақ дене массасы және аяқ-қолдың көлденең қимасының ауданы мен ұзындығы сияқты өлшемдердің функционалды морфологияны зерттеуде теориялық маңызы бар кезде де пайдалы. Дегенмен, бұл өлшемдердің бір маңызды шектеуі бар: олар организмде пішіннің өзгеруінің кеңістіктегі таралуы туралы аз ақпарат береді. Сондай-ақ, олар белгілі бір ластағыштардың жеке дараға қаншалықты әсер еткенін анықтау үшін де қолданылады. Бұл көрсеткіштерге гепатосоматикалық индекс, гонадосоматикалық индекс және жағдай факторлары кіреді (shakumbila, 2014).

Белгілерге негізделген геометриялық морфометрия

Геометриялық морфометрияда дәстүрлі морфометрияда жоқ кеңістіктік ақпарат деректерде сақталады, себебі деректер – бұл жер белгілерінің координаттары: талдаудағы барлық жеке тұлғаларда гомологты деп есептелетін дискретті анатомиялық орындар (яғни, оларды зерттеудегі әрбір үлгідегі "бірдей" нүкте ретінде қарастыруға болады). Мысалы, екі тігіс тігісінің қиылысуы – бұл жер белгісі, сондай-ақ жәндік қанатының немесе жапырақтың тамырларының қиылысуы, немесе тамырлар мен қан тамырлары өтетін кішкентай тесіктер – форминалар да жер белгілері болып табылады. Жер белгілеріне негізделген зерттеулер дәстүрлі түрде 2D деректерді талдады, бірақ 3D бейнелеу техникасының қолжетімділігі артуымен 3D талдау тістер сияқты кішкентай құрылымдар үшін де көбірек мүмкін болып келеді. Қазбалармен немесе оңай зақымданатын үлгілермен жұмыс істегенде пішіннің толық сипаттамасын беру үшін жеткілікті жер белгілерін табу қиын болуы мүмкін. Себебі барлық үлгілерде барлық жер белгілері болуы керек, бірақ жоқ жер белгілерінің координаттарын бағалауға болады. Әрбір жеке тұлға үшін деректер жер белгілерінің конфигурациясынан тұрады. Жер белгілерінің үш тобы бар. 1-топ жер белгілері жергілікті түрде анықталады, яғни осы нүктеге жақын құрылымдар тұрғысынан; мысалы, үш тігіс арасындағы қиылысу немесе жәндік қанатындағы тамырлар арасындағы қиылысулар жергілікті түрде анықталады және барлық жағынан тіндермен қоршалған. 3-топ жер белгілері керісінше, жер белгісінен алыс жатқан нүктелер ретінде анықталады және көбінесе басқа нүктеден "ең алыс" нүкте ретінде анықталады. 2-топ жер белгілері аралық болып табылады; бұл топқа ұштар, жергілікті минимумдар және қисықтықтың максимумдары сияқты нүктелер кіреді. Олар жергілікті ерекшеліктер тұрғысынан анықталады, бірақ олар барлық жағынан қоршалған емес. Жер белгілеріне қоса, жартылай жер белгілері де бар, олардың қисық бойындағы орны кездейсоқ, бірақ екі немесе үш өлшемдегі қисықтық туралы ақпарат береді.

Прокрусттар негізінде геометриялық морфометрия

Пішінді талдау пішінге қатысы жоқ ақпаратты жоюдан басталады. Анықтама бойынша, пішін аударма, масштабтау немесе бұру арқылы өзгермейді. Сондықтан пішіндерді салыстыру үшін, нүктелік белгілердің координаттарынан пішінге қатысы жоқ ақпарат алынып тасталады. Бұл үш операцияны орындаудың бірнеше тәсілі бар. Бір әдіс – екі нүктенің координаттарын (0,0) және (0,1) деп бекіту, бұл – базалық сызықтың екі шеті. Бір қадамда пішіндер бір орынға жылдырылады (осы екі координата сол мәндерге бекітіледі), пішіндер масштабталады (базалық сызықтың ұзындығы бірлікке дейін) және пішіндер бұрылады. Бұдан өзге, нүктелік белгілер мен жартылай нүктелік белгілер арқылы анықталмайтын кез келген ақпаратты, соның ішінде "бас сүйектің ең үлкен ені" сияқты классикалық өлшемдерді талдау мүмкін емес. Сонымен қатар, Прокруст әдістеріне қатысты сынтар бар, олар нүктелік деректерді талдауға баламалы көзқарасты қажет етеді.

Диффеоморфометрия

Диффеоморфометрия — диффеоморфизмдерге негізделген метрикалық құрылыммен пішіндер мен формаларды салыстыруға бағытталған және есептеу анатомиясы саласының негізгі бөлігі. 90-шы жылдары енгізілген диффеоморфты тіркеу, қазір ANTS, DARTEL, DEMONS, LDDMM, StationaryLDDMM сияқты қолданыстағы код базаларымен маңызды рөл атқарады. Бұл кодтар сирек кездесетін ерекшеліктер мен тығыз бейнелер негізінде координаттық жүйелер арасында сәйкестіктер құруға арналған. Воксельдік морфометрия (VBM) – осы принциптердің көптеген негіздеріне құрылған маңызды технология. Диффеоморфты ағындарға негізделген әдістер қолданылады. Мысалы, деформациялар қоршаған кеңістіктің диффеоморфизмдері болуы мүмкін, нәтижесінде пішіннің салыстырылуы үшін LDDMM (Large Deformation Diffeomorphic Metric Mapping) жүйесі құрылады. Мұндай деформациялар есептеу анатомиясының оң инвариантты метрикасын құрайды, ол сығылмайтын Эйлер ағынының метрикасын жалпылайды, бірақ ағындардың тегістігін қамтамасыз ететін Соболев нормасын қосады. Сондай-ақ, диффеоморфты ағындардың Гамильтондық басқаруларымен байланысты метрикалар анықталды.

Деректерді талдау

Көпөлшемді статистикалық әдістерді пішінге әсер ететін факторлар туралы статистикалық гипотезаларды тексеру және олардың әсерін визуализациялау үшін қолдануға болады. Деректердегі өзгерістердің үлгілерін визуализациялау үшін деректерді түсінікті (төмен өлшемді) формаға дейін азайту қажет. Басты компоненттік талдау (PCA) – өзгерісті қорытындылау үшін жиі қолданылатын құрал. Қарапайым тілмен айтқанда, бұл техника мүмкіндігінше көп жалпы өзгерісті бірнеше өлшемге проекциялайды. Мысалы үшін оң жақтағы суретті қараңыз. PCA графигіндегі әрбір ось – пішін айнымалыларының ковариациялық матрицасының өзіндік векторы болып табылады. Бірінші ось үлгідегі максималды өзгерісті көрсетеді, ал келесі осьтер үлгілердің өзгешеліктерін көрсетеді. Осы морфокеңіштегі үлгілердің кластерленуі пішіндегі ұқсастықтар мен айырмашылықтарды көрсетеді, бұл филогенетикалық қатынастарды көрсете алады. Өзгерістердің үлгілерін зерттеумен қатар, көпөлшемді статистикалық әдістерді пішінге әсер ететін факторлар туралы статистикалық гипотезаларды тексеру және олардың әсерін визуализациялау үшін де қолдануға болады, бірақ бұл мақсатта PCA-ны қолдану дисперсиялық-ковариациялық матрицаны инверсиялауды қажет етпесе керек емес. Белгілі деректер популяциялық орташа арасындағы айырмашылықты немесе жеке тұлғаның популяциялық орташадан ауытқуын кем дегенде екі тәсілмен визуализациялауға мүмкіндік береді. Біріншісі – бұл белгілердегі векторларды көрсетеді, олар басқа белгілерге қатысты белгінің орын ауыстыруының шамасын және бағытын көрсетеді. Екіншісі – жұқа пластиналық сплайндар арқылы айырмашылықты көрсетеді, бұл интерполяциялық функция, ол белгілердің координаттарының өзгеру деректері бойынша белгілер арасындағы өзгерістерді модельдейді. Бұл функция деформацияланған торларға ұқсайды; салыстырмалы түрде созылған аймақтарда тор созылып, ал салыстырмалы түрде қысқарған аймақтарда тор қысылып көрінеді.

Экология және эволюциялық биология

1917 жылы Д'Арси Томпсон көптеген түрлердегі пішіндер осылайша байланысты болуы мүмкін деген пікірді айтты. Ол қабықшалар мен мүйіздерге қатысты өте нақты талдау жасады. Бірақ ол балықтар мен бас сүйектерінің әртүрлі суреттерін де салған және олардың координаттардың өзгеруі арқылы байланысты екенін дәлелдеді. Пішіндік талдау экология және эволюциялық биологияда пластикалықты, пішіннің эволюциялық өзгерістерін зерттеу үшін, сондай-ақ эволюциялық даму биологиясында пішіннің онтогенезінің эволюциясын, даму тұрақтылығының, каналданудың және модулділіктің даму тегін зерттеу үшін кеңінен қолданылады. Экология мен эволюциялық биологиядағы пішіндік талдаутың тағы да көптеген қолданыстарын кіріспе мәтіннен кездестіруге болады:

Нейросуретке түсіру

Нейросуреттемеде ең көп кездесетін әдістер – мидың вокселге негізделген морфометриясы, деформацияға негізделген морфометриясы және беткейге негізделген морфометриясы.

Сүйек гистоморфометриясы

Сүйектің гистоморфометриясы сүйек биопсиясының үлгісін алу және сүйек үлгілерін зертханада өңдеу, сондай-ақ сүйектің әртүрлі құрауыштармен алынған пропорционалды көлемдер мен беттерді бағалауды қамтиды. Бірінші кезекте сүйек жоғары концентрацияланған этанол және ацетон ванналарында ыдыратылады. Содан кейін сүйек микроскоп астында көруге/талдауға мүмкіндік беру үшін қалыпқа келтіріліп, боялады. Сүйек биопсиясын алу сүйек биопсиялық трепанация арқылы жүзеге асырылады.