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MSc Informatica Medica
U-Chile
U-Chile / International


Métodos Matemáticos para Imágenes Microscópicas en Biomedicina
- MMIMB -

| Santiago de Chile 3-19 de Enero 2011, Facultad de Medicina, U-Chile |



Organisación

Steffen Härtel, Dr. rer. nat., Universidad de Chile

Lugar

Facultad de Medicina, Independencia 1027, Universidad de Chile, Santiago, Chile

Clases teóricas y Seminarios:
03-14.01.2011| Lunes, Martes, Jueves, Viernes: Escuela de Postgrado

Clases prácticas:
03-14.01.2011| Miércoles: Sala de Seminario, LEO/SCIAN-Lab, Programa de Anatomía y Biología del Desarrollo

Scientific Symposium:
Advanced Microscopy and Image Processing in Neurobiology, NEMO-Scientific Network (NSN)

17/18.01.2011| Lunes, Martes: Escuela de Postgrado

Prueba final:
19.01.2011| Miércoles: Sala de Seminario, LEO/SCIAN-Lab

Profesores Participantes

NEMO | Facultad de Medicina, U-Chile (confirmed)
Dr. Steffen Härtel, SCIAN-Lab, Programa de Anatomía y Biología del Desarrollo, ICBM, NEMO, F-Med, U-Chile
Dr. Miguel Concha, LEO-Lab, Programa de Anatomía y Biología del Desarrollo, ICBM, NEMO, F-Med, U-Chile
Dr. Andrés Couve, Programa de Fisiología y Biofísica, ICBM, NEMO, F-Med, U-Chile
Dr. Claudio Hetz, Programa de Fisiología y Biofísica, ICBM, NEMO, F-Med, U-Chile
Dr. Manuel Kukuljan, Programa de Fisiología y Biofísica, ICBM, NEMO, F-Med, U-Chile
Dra. Jimena Sierralta, Programa de Fisiología y Biofísica, ICBM, Centro de Neurociencias Integradas F-Med, U-Chile
Dr. Omar Ramirez, SCIAN-Lab, Programa de Anatomía y Biología del Desarrollo, ICBM, F-Med, U-Chile
MSc. María Osorio, SCIAN-Lab, Programa de Anatomía y Biología del Desarrollo, ICBM, F-Med, U-Chile
PhD. cand. Jorge Jara, SCIAN-Lab, Programa de Anatomía y Biología del Desarrollo, ICBM, F-Med, U-Chile
MSc. cand. Alejandra García, Centro de Espermiogramas Digitales Asistidos de Internet (CED-AI), SCIAN-Lab, ICBM, U-Chile
PhD. cand. Karina Palma, LEO-Lab, SCIAN-Lab, Programa de Anatomía y Biología del Desarrollo, ICBM, NEMO, F-Med, U-Chile
PhD. cand. Carmen Gloria Lemus, LEO-Lab, SCIAN-Lab, Programa de Anatomía y Biología del Desarrollo, ICBM, NEMO, F-Med, U-Chile

CMM | Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas (confirmed)
Dr. Jaime Ortega, Laboratorio de Modelamiento en Imágenes Científicas y Visualización, CMM y el Departamento de Ingeniería Matemática (DIM), FCFM, U-Chile
Dr. Takeshi Asahi, Laboratorio de Modelamiento en Imágenes Científicas y Visualización, CMM, FCFM, U-Chile

DCC | Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas (confirmed)
Dr. Nancy Hitschfeld, The Model and Transformation Engineering (MaTE) group, DCC, FCFM, U-Chile

Universidad de Göttingen: sponsored by DFG (confirmed)
Dr. Christoph F. Schmidt, Abtl. Molekulare und Zelluläre Biophysik Georg-August-Universität Göttingen III. Physikalisches Institut - Schwingungsphysik, Friedrich-Hund-Platz 1, 37077 Göttingen, Germany
Dr. Michael Krahn, Abteilung Stammzellbiologie, DFG Research Center for Molecular Physiology of the Brain (CMPB), Georg-August-Universität Göttingen, Göttingen, Germany
Dr. Rehfeldt, Florian, 3. Physikalisches Institut, Fakultät für Physik and DFG Research Center for Molecular Physiology of the Brain (CMPB), Georg-August-Universität Göttingen, Friedrich-Hund-Platz 1, 37077 Göttingen, Germany
Dr. Wodarz, Andreas, Abteilung Stammzellbiologie, DFG Research Center for Molecular Physiology of the Brain (CMPB), Georg-August-Universität Göttingen, Justus-von-Liebig-Weg 11, 37077 Göttingen, Germany
Dr. Wouters, Fred, Laboratory for Molecular and Cellular Systems, Dept. of Neuro- and Sensory Physiology, Centre II; Physiology and Pathophysiology, University Medicine Göttingen
Dr. Michael Krahn, Laboratory for Molecular and Cellular Systems, Dept. of Neuro- and Sensory Physiology, Centre II; Physiology and Pathophysiology, University Medicine Göttingen
Dr. Nikta Fakhri, Abtl. Molekulare und Zelluläre Biophysik Georg-August-Universität Göttingen III. Physikalisches Institut - Schwingungsphysik, Friedrich-Hund-Platz 1, 37077 Göttingen, Germany
Dr. Daniel Aquino, Max-Planck-Institute for Biophysical Chemistry, Department of NanoBiophotonics. Am Fassberg 11, D-37077 Göttingen, Germany

Universidad Austral de Chile UACh (confirmed)
Dr. Sebastián Brauchi, Laboratorio de Fisiología Sensorial, Universidad Austral de Chile, Valdivia- Chile

Universidad de Talca (confirmed)
Dr. Danilo González, Center for Bioinformatics and Molecular Simulations (CBSM) Universidad de Talca, Talca, Chile

University of Southern Denmark (confirmed)
Dr. Luis Bagatolli, MEMPHYS - Center for Biomembrane Physics, Department of Biochemistry and Molecular Biology, University of Southern Denmark, Odense, Denmark

Leica Microsystems (confirmed)
Peter Sendrowski, Global Product Manager Confocal Microscopy, Leica Microsystems, 68165 Mannheim (Germany)

Programa  

Las aplicaciones de la informática en salud y biomedicina son cada vez más importantes para mejorar la calidad de vida de las sociedades modernas. La Informática Biomédica abarca disciplinas tales como la informática, medicina, ciencias naturales y atención sanitaria. En todo el mundo se observa una demanda creciente de programas de postgrado y postdoctorado flexibles e interdisciplinarios que preparen investigadores con las competencias necesarias para facilitar el camino hacia futuros avances en este campo. Si bien la estructura de la población y el contexto socio-económico en muchos países de Latino América hacen especialmente valiosa la Informática Biomédica, los esfuerzos para fomentar esta disciplina han sido dispersos.

La Oficina Alemana de Asuntos Exteriores a través del Servicio Alemán de Intercambio Académico (DAAD) ha iniciado el financiamiento para la creación de un Centro de Excelencia en Investigación y Enseñanza en Santiago de Chile desde 2009 hasta 2014. La iniciativa incluye investigadores de diferentes Facultades de la Universidad de Chile (U-Chile), la Facultad de Medicina (F-Med) y la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas (FCFM), y la Universidad de Heidelberg que unen su experiencia para fomentar la formación interdisciplinaria y una plataforma de investigación en el campo de la Informática Médica. La formación profesional y la investigación se centrarán en Programas Certificados, Escuelas de Verano, Programas de Postgrado -Magíster y Doctorado- y el Intercambio Científico entre las Universidades. La Universidad de Heidelberg alberga el primer programa de Informática Médica establecido en Alemania y está estrechamente relacionado con destacados institutos de investigación, como el Centro Alemán de Investigación del Cáncer (DKFZ).

El primer curso transdisciplinario de postgrado de Métodos Matemáticos para Imágenes Microscópicas en Biomedicina MMIMB se concentra en cuatro aspectos fundamentales: (i) adquisición de imágenes biológicas y biomédicas, (ii) análisis de estructuras biológicas en imágenes digitales (iii) interpretación de la información en imágenes biológicas y biomédicas (iv) manejo de conceptos de microscopía óptica masiva más allá del límite de difracción (high throughput microscopy).

Ejemplos presentados durante el curso abarcarán el análisis de forma y función en biología del desarrollo, localización y colocalización de estructuras biológicas y el análisis morfo-topológico y de movimiento de células migratorias y espermatozoides.

Las clases, presentaciones y seminarios se dirigen a estudiantes de las disciplinas de biología, medicina, computación e ingeniería eléctrica con especialización en ciencia de la computación / informática.

El curso consiste de cinco módulos (M1-5) para abordar la temática en sus facetas conceptuales, teóricas y prácticas:

M1| Clases teóricas: Las clases teóricas abarcan fenómenos de fluorescencia, límite de resolución, localización y colocalización de la microscopia convencional, 2 fotones, spinning disk, SIM, PALM, STED, TIRF y 4pi;. Además de la representación y percepción de colores en imágenes digitales y los fundamentos matemáticos para el análisis cuantitativo morfo-topológico, dinámico, y de localización y colocalización de estructuras biológicas. En cuanto a los elementos matemáticos necesarios, se abordará la discretización de una ecuación diferencial y su implementación numérica, estudiándose así la relación entre el problema discreto y el contínuo, junto con analizar ejemplos. Introducción a las Ecuaciones Diferenciales (EDO y EDP) y la formulación variacional de un problema de contorno. El problema de segmentación y el funcional de Mumford-Shah y sus aproximaciones.

M2| Clases prácticas: En las clases prácticas se aplican los programas Huygens Professional y Huygens Scripting (Scientific Volume Imaging, www.svi.nl) para la deconvolución de imágenes microscópicas digitales en forma directa y a través de Internet. Además se practicará el manejo el programa SCIAN (www.scian.cl), desarrollado sobre la base de IDL (www.ittvis.com) o ImageJ sobre la base de Java (//rsbweb.nih.gov/ij/), para el análisis cuantitativo morfo-topológico, dinámico, y de localización y colocalización de estructuras biológicas. Implementación numérica del problema de segmentación. Flujo Óptico y su implementación numérica. Seguimiento o "Tracking" de objetos y problemas de transporte.

M3| Seminarios bibliográficos: Alumnos presentan artículos científicos selectos que acompañan la temática del curso (ver literatura).

M4| Sesiones científicas: Microscopía Avanzada y Procesamiento de Imágenes en Neurobiología. Un simposio de dos días financiado por un proyecto de la DFG con participación de LEICA.

M5| Presentaciones: discusión y evaluación de resultados o proyectos propios: Alumnos aplicarán las técnicas aprendidas en el curso a material de su propio estudio científico o tareas que se entregarán y presentarán los resultados de sus respectivos análisis.


Poster  


Literatura para Seminarios

In vivo Microscopy:
  Cell tracking using a photoconvertible fluorescent protein. Hatta (2006) Nature Protocols
  Reconstruction of Zebrafish Early Embryonic Development by Scanned Light Sheet Microscopy. Keller (2008) Science 322:14
  Escape Behavior Elicited by Single, Channelrhodopsin-2-Evoked Spikes in Zebrafish Somatosensory Neurons. Douglass (2008) Current Biology 18: 11:33

Colocalization:
  Measurement of colocalization of objects in dual-color confocal images, Manders E. (1993) Journal of Microscopy 169: 375-382
  A guided tour into subcellular colocalization analysis in light microscopy. Bolte S. et al (2006) Journal of Microscopy, 224 (3): 213232
  A guide to accurate fluorescence microscopy colocalization measurements. Comeau J.W., et al (2006) Biophys J. 91:4611-22
  Accurate measurements of protein interactions in cells via improved spatial image cross-correlation spectroscopy. Comeau J.W.et al (2008) Mol Biosyst. 4: 672-85
  Quantitative Determination of Spatial Protein-Protein Correlations in Fluorescence Confocal Microscopy. Wu Y et al (2010) Biophys J. 98(3):493-504
  Multi-Image Colocalization and Its Statistical Significance. Fletcher P et al (2010) Biophys J. 99:1996-2005
  Supporting Material: Multi-Image Colocalization and Its Statistical Significance. Fletcher P et al (2010) Biophys J. 99:1996-2005
  Confined Displacement Algorithm Determines True and Random Colocalization in Fluorescence Microscopy. Ramirez O et al (2010) Journal of Microscopy, Sep 1;239(3):173-83

Review: Microscopy Diffraction Barrier:
  Breaking the Diffraction Barrier: Super-Resolution Imaging of Cells. Huang B. et al (2010) Cell 143:1047-1058

STED-Microscopy:
  STED-Microscopy: Concepts for nanoscale resolution in fluorescence microscopy. Hell S. et al (2004) Current Opinion in Neurobiology 4:599-609
  Microscopy and its focal switch. Hell S. (2009) Nature Methods. 6(1):24-32

SIM-Microscopy:
  Subdiffraction multicolor imaging of the nuclear periphery with 3D structured illumination microscopy. Schermelleh et al (2008) Science, 320(5881):1332-6
  Three-dimensional resolution doubling in wide-field fluorescence microscopy by structured illumination. Gustafsson et al (2008) Biophys J, 94(12):4957-70
  Nonlinear structured-illumination microscopy: Wide-field fluorescence imaging with theoretically unlimited resolution Gustafsson (2005) 1381242953.6801PNAS: 1308113086

PALM/STORM-Microscopy:
  Imaging intracellular fluorescent proteins at nanometer resolution. Betzig et al (2006) Science, 313(5793), 1642-5
  Super-resolution imaging by nanoscale localization of photoswitchable fluorescent probes. Bates M et al (2008) Curr Opin Chem Biol, 12(5): 505514
  A New Approach to Fluorescence Microscopy. Bates M (2010) SCIENCE 330: 1334-5
  Superresolution Imaging of Chemical Synapses in the Brain. Dani A et al (2010) Neuron 68, 843856

TIRF-Microscopy:
  Total internal reflection fluorescence. Axelrod (1984) Ann. Rev. Biophys. Bioen. 13 : 24748
  SINGLE-PARTICLE TRACKING: Applications to Membrane Dynamics. Saxton (1997) Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 1997. 26:37399
  Structural rearrangements in single ion channels detected optically in living cells. Sonnleitner (2002) PNAS, October 1, 99, 20, 1275912764
    Myosin V Walks Hand-Over-Hand: Single Fluorophore Imaging with 1.5-nm Localization. Yildiz (2003) SCIENCE VOL 300 27
  Direct measurement of the evanescent field profile produced by objective-based total internal reflection fluorescence. Mattheyses (2006) Journal of Biomedical Optics 111, 014006
  Imaging the assembly and disassembly kinetics of cis-SNARE complexes on native plasma membranes. Bar (2008) JFEBS Letters 582 (2008) 35633568
  Coupling between clathrin-dependent endocytic budding and F‑BAR-dependent tubulation in a cell-free system Wu (2010) nature cell biology VOLUME 12 | NUMBER 9

Principios matemáticos en imágenes:
  Riad et al (1986) The deconvolution problem: An overview, Proceedings of the IEEE, vol. 74, Issue 1, pp. 82 - 85
  Rioul O.et al (1991) Wavelets and signal processing, IEEE Signal Processing Magazine, Vo. 8 Issue 4, 14 - 38
  Chambolle (1999) Finite-differences discretizations of the mumford-shah functional, ESAIM: M2AN, Volume 33, Number 2, 261-288

Trayectorias y Difusión:
  Detection of Non-Brownian Diffusion in the Cell Membrane in Single Molecule Tracking. Ritchie K. et al. (2005) Biophys J. 88 (3):2266-2277
  Imaging the lateral diffusion of membrane molecules with quantum dots. Bannai H et al (2007) Nature Protocols 1:2628-2634
  Confined Lateral Diffusion of Membrane Receptors as Studied by Single Particle Tracking (Nanovid Microscopy). Effects of Calcium-induced Differentiation in Cultured Epithelial Cells. Kusumi A et al. (1993) Biophys J 65(5): 2021-2040

Skeletons:
  Nicu D. Cornea et al (2007) Curve-Skeleton Properties, Applications and Algorithms. IEEE transactions on visualization and computer graphics, vol. 13, pp. 530-548
  Oscar Kin-Chung Au et al (2008) Skeleton Extraction by Mesh Contraction. ACM Transactions on Graphics, vol. 27, nº 3, pp. 44:1-44:10.

Mallas Geometricas:
  Triangle: Engineering a 2D Quality Mesh Generator and Delaunay Triangulator (1996). Jonathan Richard Shewchuk. Carnegie Mellon University

Contornos y Superficies Activas:
  Sherrard et al (2010) Sequential Activation of Apical and Basolateral Contractility Drives Ascidian Endoderm Invagination, Current Biology, 14 September, Volume 20, Issue 17, Pages 1499-1510


Manuals & More

  ZEISS Principles of Confocal Microscopy

  Principles of Fluorescence Spectroscopy

  LEICE TCS LSI Brochure

  Huygens Professional User Guide from SVI:

  Intracellular Fluorescent Probe Concentrations by Confocal Microscopy, Finck et al. 1998

  Seeing is believing? Alison J. North, The Journal of Cell Biology, Vol. 172, No. 1, January 2, 2006 918

  The Good, the Bad and the Ugly ! Helen Pearson, NATURE, 447, May 2007

  IDL/ScianTimeCalc: 1er Manual de Reconstrución 3D


Clases

Lunes 03 Microscopía óptica y procesamiento de imágenes (PART I)
  Steffen Härtel:
- Principios de microscopía óptica y fluorescencia
- Convolución y deconvolución en microscopia óptica más allá del límite de difracción I
- Convolución y deconvolución en microscopia óptica más allá del límite de difracción II
  Jorge Jara: Principios computacionales de procesamiento de imágenes

Martes 04 Microscopía óptica y procesamiento de imágenes (PART II)
  Steffen Härtel: Localización y colocalización de objetos biológicos
  Jorge Jara: Principios de segmantación

Jueves 06 Microscopía en vivo y principios matemáticos en imágenes
  Takeshi Asahi: Principias metemáticos de filtrado y deconvolución en imagenes digitales

Viernes 07 Principios matemáticos en imágenes
  Takeshi Asahi: Métodos numericos para algoritmos de imágenes con aplicaciones de segmantación

Lunes 10 Principios matemáticos en imágenesI
  Jaime Ortega: Problemas Inversos y Procesamineto de Imágenes: Dos Desafios para la Matemática
  Maria Osorio: Single Particle Tracking and Diffusion I

Martes 11 Principios matemáticos en imágenes y mallas geométricas I
  Pablo Aguilar : Skeletons y sus aplicaciones para la cuantificación de estructuras biológicas tipo árbol
  Nancy Hitschfeld: Modelamiento geométrico
  Steffen Härtel: Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) and Image Correlation Spectroscopy (ICS)
  Steffen Härtel: Resúmen convolución y ejemplo Fourier

Miercopes 12 Principios matemáticos en imágenes y mallas geométricas II
  Jorge Jara: 2D/3D Image Segmentation & Object Reconstruction

Jueves 13 Principios matemáticos en imágenes y mallas geométricas II
  Nancy Hitschfeld: Mallas geométricas y aplicaciones
  Nancy Hitschfeld: Diagrama de Voronoi
  Danilo Gonzales: Synergy between Electron Tomography and Molecular Simulations

Viernes 14 Técnicas Microscópicas
  Sebastian Brauchi: Evanescent Field Microscopy

Seminarios

  Photoconversion
  Diffusion I
  Diffusion II
  Diffusion III
  Colocalization I
  Colocalization II
  Colocalization III
  Skeletons I
  Skeletons II
  STED
  PALM




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