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Forschung

• Visualisierung und Mesoskopische Simulation der zellulären Signaltransduktion

  In der Systembiologie spielen Zusammenhänge eine große Rolle und Visualisierungen sind sehr gut dafür geeignet diese sichtbar zu machen. Daher liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit in der Visualisierung und interaktiven Exploration von Daten aus diesem Umfeld. Die zu visulisierenden Daten werden von in silico Simulationen erzeugt. Besonderer Wert wird auf die Entwicklung von Methoden gelegt, welche auf modernen Grafikprozessoren (GPUs) ausgeführt werden. Die parallele Architektur von GPUs ist von Interesse, da sie ein großes Potential für das Beschleunigen von Berechnungen besitzt.

  Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer mesoskopischen Simulation von ausgewählten intra- und extrazellulären Prozessen. Weiter sollen Visualisierungen entwickelt werden, welche in der Lage sind die Simulationsergebnisse sinnvoll darzustellen. Insbesondere werden zelluläre Signaltransduktionsprozesse, d.h. die Signalübertragung innerhalb der Zelle, untersucht.

  Forschungsfragen sind:

  • Wie beeinflussen die verschiedenen Transportarten die Signalausbreitung?
  • Welches Signalmolekül erreicht den Zellkern als Erstes?
  • Wie sieht die ausgeprägte Signalfront aus?
• CellVis

  Das Visualisierungswerkzeug CellVis erlaubt die Datenanalyse der in silico Simulationsergebnisse. CellVis nutzt überwiegend GPU-basierte Visualisierungstechniken wie beispielsweise glyphenbasiertes Rendering oder Volumenraycasting. Zwei grundlegende Visualisierungstechniken stehen für die Darstellung zellulärer Prozesse zur Verfügung. Die schematische Darstellung stellt die Simulationsdaten so dar wie sie auch in der Simulation verwendet werden, d.h. interne Strukturen wie Filamente des Zellskeletts und sich bewegende Teilchen werden berücksichtigt. Die zweite Visualisierung erzeugt Bilder die denen aus der konfokalen Lasermikroskopie ähneln.

  
• Stochastische zelluläre Simulation

  Die zugrunde liegende Simulation für unser MAPK-Modell (mitogenaktivierte Proteinkinase) ist eine agentenbasierte Simulation mit Protein-Protein Interaktionen. Sie unterstützt sowohl die Diffusion als auch den Transport mittels Motorproteinen als Transportmechanismen für das Signal in Richtung des Zellkerns. CUDA und OpenMP werden für eine parallele Implementierung auf modernen Grafikkarten und CPUs eingesetzt.

  
• Modellierung eines biologischen Zellmodells

  Das zelluläre Modell der vorherigen Projekte soll hinsichtlich Form und Innenleben verfeinert werden, um beispielsweise Vergleiche mit Laborexperimenten zu ermöglichen. Schwerpunkte sind dabei:

  • Modellierung der Plasmamembran mit Freiformflächen, um Deformationen zu erlauben
  • Struktur und Layout der Mikrotubuli des Zellskeletts
  • Weitere Organellen, z.B. der Golgiapparat, das endoplasmatische Retikulum (ER) und die Mitochondrien
  • Integration in das bestehende Simulationsframework

Abgeschlossene Projekte

• Visualization of Receptor Clustering on the Cellular Membrane (2011)

  Apoptosis, the programmed cell death, is initiated by two pathways, the extra-cellular and the mitochondrial pathway. In the extra-cellular pathway, the binding of ligands to death receptors on the cellular membrane leads to the activation of the pathway. We developed a mathematical model to simulate the stochastic process of receptor-ligand clustering. The in-silico results are visualized in CellVis by highlighting certain cluster properties supporting the model development by visual data analysis.

  Published at IEEE Symposium on Biological Data Visualization (BioVis 2011).

  
• Interactive Exploration of Protein Cavities (2011)

  Inside a protein, cavities can often be found close to the active center. Therefore, when analyzing a molecular
  dynamics simulation trajectory it is of great interest to find these cavities and determine if such a cavity opens
  up to the environment, making the binding site accessible to the surrounding substrate. Volume ray casting is used to compute the boundary of the protein in real-time. Then, a partial segmentation is applied to the volume to obtain the user-selected cavity.

  Published in Computer Graphics Forum (EuroVis 2011).

  
• Visualization of Lagrangian Coherent Structures in Unsteady Flow (2010)

  Lagrangian coherent structures (LCS) separate regions of qualitatively different flow behavior. The LCS can be identified, as shown by Haller in 2001, as ridges (local maximizing curves or surfaces) in the finite-time Lyapunov exponent (FTLE). We introduce a twofold approach to visualizing pathlines in the context of to LCS generation: the selection of significant trajectories and their individual visualization.

  Published at International Symposium on Flow Visualization (ISFV14).

  
• Visualizing Signal Concentrations (2010)

  An agent-based Monte Carlo simulation of a simplified Mitogen-Activated Protein Kinase (MAPK) is used to compute the trajectories of discrete signaling proteins. In this project, we create a continuous visualization from discrete particles for better insight. The concentration as well as the signaling front become visible.

  Published at IEEE International Symposium on Biomedical Imaging (ISBI 2010).
  Accompanying movie.

  
• CSB-Project A4 (Center Systems Biology) - Signal Transduction (2010)

  We developed two visualization techniques: a schematic cartoon-like representation and microscope-like images to allow comparison with wet lab experiments. Glyphs are used for interactive rendering of over 100,000 proteins and other cell structures. The data to be visualized is generated by a particle-based Monte Carlo simulation.

  Published at IEEE Pacific Visualization Symposium 2009.

  
  
  
• Panorama Maps with Non-linear Ray Tracing (2007)

  Non-linear Ray Tracing is used to generate panorama maps by minimizing occlusion. The viewing rays are deflected by the underlying terrain. Techniques of Berann, an Austrian cartograph, are employed in this work like progressive perspective, vertical exaggeration, and rotation and translation of features.

  Published at Graphite 2007.

  
• 3D Line Integral Convolution (2007)

  Our approach of view-dependent visualization tightly links the LIC generation with the volume rendering of the LIC result in order to avoid the computation of unnecessary LIC points. A range of illumination models is applied to the LIC streamlines: different codimension-2 lighting models as well as a novel gradient-based illumination model that relies on precomputed gradients and does not require any direct calculation of gradients after the LIC integral is evaluated. This 3D LIC method allows users to interactively explore 3D flow by means of high-quality, view-dependent, and adaptive LIC volume visualization.

  Published in IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 2008.
  Accompanying material.

  
• Real-Time Rendering of Planets with Atmospheres (2007)
  
  
• Flight over Marsian Surface (2005)
  
  

Lehre

Wintersemester 2010/11

• Übungen: Grundlagen Interaktive Systeme

Sommersemester 2010

• Hauptseminar: Volumenrendering

Wintersemester 2009/10

• Hauptseminar: Fortgeschrittene Echtzeit Rendertechniken

Wintersemester 2008/09

• Hauptseminar: Synthese und Rendering von natürlichen Phänomenen
• Übungen: Numerische und Stochastische Grundlagen der Informatik

Sommersemester 2008

• Lecture Assignments: Bildsynthese
• Fachpraktikum Grafik-Programmierung

Wintersemester 2007/08

• Übungen: Modellierung und Animation
• Fachpraktikum Grafik-Programmierung

Publikationen