En matematisk ramme muliggør nøjagtig karakterisering af former

I naturen, mange ting har udviklet sig, der adskiller sig i størrelse, farve og, først og fremmest, i form. Mens farven eller størrelsen af ​​et objekt let kan beskrives, beskrivelsen af ​​en form er mere kompliceret. I en undersøgelse, der nu er offentliggjort i Naturkommunikation , Jacqueline Nowak fra Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology og hendes kolleger har skitseret en ny og forbedret måde at beskrive former på baseret på en netværksrepræsentation, der også kan bruges til at samle og sammenligne former igen.

Jacqueline Nowak designede en ny tilgang, der er afhængig af en netværksbaseret formrepræsentation, navngivet synlighedsgraf, sammen med et værktøj til at analysere former, kaldet GraVis. Synlighedsgrafen repræsenterer formen af ​​et objekt, der er defineret af dets omgivende kontur, og den matematiske struktur bag GraVis er specificeret af et sæt knudepunkter, der er placeret ækvidistant rundt om konturen. Noderne er derefter forbundet med hinanden ved hjælp af kanter, som ikke krydser eller flugter med formgrænsen. Som resultat, test af forbindelsen mellem alle par af noder specificerer synlighedsgrafen for den analyserede form.

I dette studie, Jacqueline Nowak brugte synlighedsgraferne og GraVis-værktøjet til at sammenligne forskellige former. For at teste kraften i den nye tilgang, synlighedsgrafer af simple trekantede, rektangulære og cirkulære former, men også komplekse former af sandkorn, fiskeformer og bladformer blev sammenlignet med hinanden.

Ved at bruge forskellige maskinlæringstilgange, de demonstrerede, at tilgangen kan bruges til at skelne former efter deres kompleksitet. Desuden, synlighedsgrafer gør det muligt at skelne kompleksiteten af ​​former, som det blev vist for epidermale fortovsceller i planter, som har en lignende form som brikker af puslespil. For disse celler, forskellige formparametre som f.eks. halsbredde eller celleareal kan kvantificeres nøjagtigt med GraVis. "Kvantificeringen af ​​lappeantallet af epidermale celler med GraVis overgår eksisterende værktøjer, viser, at det er et kraftfuldt værktøj til at løse særlige spørgsmål, der er relevante for formanalyse, " siger Zoran Nikoloski, GraVis projektleder, leder af forskningsgruppen "Systems biology and Mathematical Modelling" ved Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology og professor i bioinformatik ved University of Potsdam.

I fremtiden, forskerne ønsker at anvende synlighedsgrafer af epidermale celler og hele blade for at få biologisk indsigt i vigtige cellulære processer, der påvirker formen. Ud over, formtræk af forskellige planteceller kvantificeret af GraVis kan lette genetiske screeninger for at bestemme det genetiske grundlag for morfogenese. Endelig, Anvendelsen af ​​GraVis vil bidrage til at opnå en dybere forståelse af sammenhængen mellem celler og organformer i naturen.