Plataforma computacional colaborativa para exploración y visualización de experimentos de neurociencia en la Nube
Con el creciente uso de la informática en las más variadas áreas de la ciencia, los datos han asumido un papel cada vez más importante en el proceso del descubrimiento científico. Muchos de los resultados científicos que se publican hoy están respaldados por datos digitales recopilados o generados en experimentos científicos. Por tanto, es fundamental que estos datos sean fiables y de acceso público, para que los resultados puedan validarse y reproducirse. A pesar de esto, en muchos campos de la ciencia, como es el caso de la neurociencia, la disponibilidad pública de datos de experimentos científicos todavía no es la regla, sino la excepción. La recopilación de datos en experimentos es un trabajo difícil y costoso y aún poco reconocido por la comunidad científica. Para que un científico pueda analizar correctamente los datos de un experimento en Neurociencia o poder reproducirlo, necesita conocer información sobre el proceso experimental completo, es decir, sobre cómo se recopilaron o generaron los datos.
Antecedentes
Aunque ya existen repositorios públicos para el almacenamiento y el intercambio de datos en el campo de la Neurociencia, todavía existe una fuerte necesidad de herramientas de software que mantengan, de forma integrada y categorizada, todos los datos recopilados en un experimento y su fuente de información. Para proponer una solución a este problema, docentes y estudiantes de la Facultad Politécnica vienen colaborando con la iniciativa del Centro de Investigación y Difusión en Neuromatemática (CEPID NeuroMat) con sede en la Universidad de Sao Paulo (USP) en la implementación de una plataforma de software para apoyar la creación y disponibilidad pública de bases de datos de experimentos en Neurociencia. Esta plataforma consta de dos herramientas de software: el Sistema de Experimentos de Neurociencia (NES) y la base de datos abierta NeuroMat (NeuroMat DB). Esta colaboración se realiza a través de la Dra. Kelly Braghetto, docente investigadora del Instituto de Matemática y Estadística de la USP y coordinadora del Proyecto NES. Además, este Proyecto es cofinanciado por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) con apoyo del FEEI.
NES es un software gratuito para la gestión de datos de experimentos de neurociencia. Garantiza que todos los datos experimentales registrados en su base de datos sean debidamente acompañados de su información de origen, imponiendo un formato común para la representación y almacenamiento de los datos experimentales del laboratorio o grupo de investigación. Como resultado, los datos almacenados son de mejor calidad y más fáciles de compartir y reutilizar públicamente.
Caracterización de Datos experimentales en Neurociencia
NES es una herramienta de código abierto para ayudar a los neurocientíficos a gestionar sus datos experimentales. Debido a que fue desarrollado como un sistema web, NES tiene una interfaz fácil de usar y puede ejecutarse en varios tipos de dispositivos, como computadoras de escritorio, tabletas, teléfonos inteligentes, etc., con la misma calidad de presentación, lo que brinda una mayor facilidad de uso. NES recopila, estructura y organiza datos de todas las etapas del proceso experimental de un experimento en neurociencia. La Figura 1 ilustra cómo NES se integra en el proceso experimental.
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| Figura 1: Diagrama de integración de NES en el Proceso experimental |
Con el fin de caracterizar los datos experimentales y los metadatos de varios tipos de experimentos, NES contempla la recolección de datos de diferentes naturalezas, como EEG, EMG, datos EMT, datos de estímulos (es decir, auditivos, visuales, etc.), datos genéricos (es decir, estabilometría, cinemática, comportamiento, etc.), datos de las respuestas de cuestionarios, datos provenientes de la integración con el Juego de Goalkeeper, datos sobre los participantes de los experimentos, así cualquier información de interés que pueda ser ingresada en forma de texto o como archivos adjuntos al experimento. NES también funciona con varios formatos de archivo utilizados por la comunidad de Neurociencia. En particular, es interoperable con el formato Neuroscience Without Border (NWB), una de las iniciativas más prometedoras para la representación estandarizada de datos electrofisiológicos y el formato DICOM, el estándar para representación de imágenes médicas. El modelo de almacenamiento utilizado en NES permite que los datos de una variedad de fuentes de información se conviertan en formatos interoperables (por ejemplo, CSV, JSON, PDF, etc.) que se pueden exportar fácilmente para su uso en diferentes plataformas informáticas.
La reciente actualización de NES incluye la posibilidad de recopilar información relacionada a experimentos que incluyen imágenes, como por ejemplo Resonancia magnética funcional (fMRI). El almacenamiento de los datos recopilados por sistemas externos se realiza a través de archivos en formatos estandarizados existentes. Los datos de origen de estos últimos también se almacenan, lo que facilita su posterior recuperación.
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| Figura 2: Captura de datos con NES y entorno para compartir públicamente por medio del Portal NeruomatDB |
Licencia de uso
Tanto NES como NeuroMat DB tienen una arquitectura completamente abierta y se desarrollaron utilizando herramientas de código abierto. La licencia para NES y Neuromat DB es la licencia pública de Mozilla versión 2.09, que da total libertad para usar y cambiar el software. El código fuente, la documentación y el estado de desarrollo se pueden ver en las siguientes direcciones, respectivamente: https://github.com/fpuna-nes/nes y https://github.com/neuromat/portal. La Figura 2 muestra la integración de estas dos herramientas.
Consideraciones finales
Existen varios desafíos relacionados con la creación de bases de datos abiertas en el campo de la Neurociencia, tales como la ausencia de estándares para la representación de datos experimentales, consecuencia de la complejidad y variabilidad de la estructura de los protocolos experimentales. Pero para que los datos experimentales se pongan a disposición del público, es necesario asegurarse de que se registren de forma estructurada, coherente y completa, junto con la información de origen. Esto es fundamental para que los datos de este tipo puedan entenderse y reutilizarse. En este contexto, el Sistema de Experimentos de Neurociencia (NES) y la Base de Datos Abierta NeuroMat (NeuroMat DB) son contribuciones importantes a la comunidad de Neurociencia, ya que constituyen una amigable y, al mismo tiempo, poderosa plataforma de software libre para el registro y el intercambio de datos experimentales y su información fundamental de proveniencia. Estas herramientas ya se están utilizando para crear bases de datos que tienen como objetivo apoyar el progreso en la comprensión de la función cerebral y en el diagnóstico y tratamiento de enfermedades neurológicas.
Referencias
Ruiz-Olazar, M., Rocha, E. S., Rabaça, S. S., Ribas, C. E., Nascimento, A. S., & Braghetto, K. R. (2016, June). A review of guidelines and models for representation of provenance information from neuroscience experiments. In International Provenance and Annotation Workshop (pp. 222-225). Springer, Cham.
Ruiz Olazar, M., Rocha, E. S., Rabaça, S. D., Ribas, C. E., Vargas, C. D., Nascimento, A. S., & Braghetto, K. R. (2016). NES: a free software to manage data from neuroscience experiments. In Front. Neuroinform. Conference Abstract: Neuroinformatics 2016.