BranchingSets : a visualization technique for the interactive inspection of biological pathways

Understanding complicated networks of interactions between biochemical components is essential to solve contemporary problems in modern biology, especially in domains such as cancer and systems research. In these domains, biological pathway data is used to represent chains of interactions that occur within a given biological process. Visual representations can help researchers to understand and interact with complex pathway data in a number of ways. Biologists make use of pathway visualizations for a range of tasks, including having an overview of large or multiple pathways, understanding inter-pathways connectivity and retrieving details concerning network entities and interactions. Some of these tasks require an understanding of the hierarchical nature of certain elements within the pathway or the ability to easily make comparisons between multiple pathways. In this work, we present a taxonomy of tasks that are regularly performed by researchers who work with biological pathway data. From these tasks we generate a set of requirements that should be taken into consideration for the design of a pathway visualization software. Then, we present an overview of visualization techniques that are used for the representation of complex pathway data. We also perform a survey of a variety of pathway visualization tools that utilize different visualization techniques. The most popular representation technique for visualizing the biological interconnections between components in a pathway is the node-link diagram. However, frequently the connectivity between elements is not the only information that it is necessary to display. In certain application domains, elements and links can be grouped in categories. To address these requirements, a number of techniques have been designed for overlaying node-link diagrams with additional information. In this work we introduce BranchingSets, a novel technique for augmenting node-link diagrams with information about the categories which the nodes and links belong to. The technique enables user-driven interactions to procedurally examine the graph topology. Furthermore, we present a pathway visualization tool which leverages BranchingSets, for the exploration of biological pathways incorporating both an intuitive graphical representation of multiple levels of information and we include a well-designed set of user interactions for selecting, filtering, and ordering the view of the data. We provide a comparison between popular techniques for representing biological pathways and our technique. Our comparison shows that our technique provides functionality not currently enabled by current techniques, and that this functionality could be incorporated into existing visualization applications to enable additional visual analytics tasks.

Alcune ricerche ed esperimenti di biologia richiedono sempre più la comprensione e l'analisi di vaste e complicate reti di componenti biochimici, specialmente in settori come la ricerca per la cura del cancro o delle cellule staminali. In questi ambiti, i pathways biologici sono usati per rappresentare le catene di interazioni che avvengono all'interno di un processo biologico. Le rappresentazioni grafiche di un pathway biologico possono fornire un insostituibile supporto ai ricercatori per comprendere e interagire con questi dati in diverse maniere. I biologi fanno uso di visualizzazioni di pathway in svariati casi, come ad esempio per avere una panoramica di uno o più pathway molto vasti, comprendere connessioni di alto livello tra diversi pathway, e ottenere dettagli aggiuntivi riguardo le diverse entità coinvolte e le interazioni tra esse. In alcune circostanze è necessario comprendere la natura gerarchica di alcuni elementi, in altre il biologo deve aver a disposizione uno strumento per comparare pathway differenti. In questo lavoro di tesi verrà presentata una tassonomia di diverse operazioni che sono regolarmente eseguite dai ricercatori che abitualmente fanno uso di dati relativi ai pathway. Da questa lista di operazioni verrà estratta una serie di requisiti che devono essere presi in considerazione per il design di un software per la visualizzazione di pathway. Successivamente sarà presentata una panoramica di diverse tecniche di visualizzazione che sono usate per la rappresentazione di dati complessi relativi ai pathway. Verrà inoltre illustrata un'analisi di diversi strumenti per la visualizzazione di pathway e le corrispettive tecniche utilizzate. La tecnica più popolare per la visualizzazione di pathway biologici è il node-link diagram. Sfortunatamente, le interconnessioni tra diversi elementi non è l'unica informazione significativa da mostrare. In alcune applicazioni, elementi e connessioni possono essere raggruppate in categorie. A fronte di cio', una serie di tecniche sono state affinate per aggiungere un ulteriore livello di visualizzazione aggiuntivo ai node-link diagram. In questo lavoro verrà presentata una nuova tecnica per includere in un node-link diagram informazioni relative alle categorie dei nodi e delle connessioni: ci riferiremo ad essa con il nome BranchingSets. Questa tecnica include una serie di interazioni da parte dell'utente per permettere una esplorazione procedurale della rete. Inoltre verrà presentato uno strumento per la visualizzazione di pathway che fa uso di BranchingSets per facilitare l'analisi di pathway biologici, permettendo sia una rappresentazione intuitiva di diversi livelli di informazione, sia una esplorazione procedurale della rete di interconnessioni tramite il filtraggio, la selezione e l'ordinamento dei dati. Verrà inclusa anche un confronto tra BranchingSets e diverse tecniche per la rappresentazione di pathway biologici. Il confronto suggerisce che la tecnica presentata in questo lavoro offre alcune funzionalità che non sono attualmente incluse in strumenti esistenti.