开源数字资源在聚类转录组数据三维可视化中的应用与创新

本文推荐了一种基于开源工具（Blender和HTML）的转录组数据三维可视化方法，通过t-SNE和UMAP等降维技术将高维数据转化为交互式3D模型（HTMLview）或高质量动画（Blenderview），显著提升了数据探索的沉浸感和科研沟通效率，为生命科学研究提供了低门槛、高灵活性的可视化解决方案。

摘要

随着高通量转录组测序技术的普及，数据集规模不断扩大，降维方法已成为数据分析的关键手段。t-分布随机邻域嵌入（t-SNE）和均匀流形近似与投影（UMAP）等技术可将高维数据投影至2D或3D空间，但缺乏编码经验的研究者难以创建具有吸引力的可视化结果。本研究开发了两种基于开源数字资源的数据可视化方法：HTMLview通过HTML模板生成交互式3D模型，Blenderview利用开源建模软件Blender创建高质量动画。这两种方法为研究者提供了灵活、易用的数据可视化途径。

1 引言

大规模复杂数据集的可视化对生物学数据理解和结果沟通至关重要。降维技术如t-SNE和UMAP可将高维数据转化为人类可理解的2D/3D投影，但静态图像难以充分展示数据特征。3D模型能显著增强转录组聚类数据的视觉解读能力，例如在物理科学和单细胞转录组（如3D根组织中的基因表达可视化）中的应用。相比2D投影，3D模型提供更沉浸的视角（图1），尤其适用于基因聚类和细胞类型区分研究。虽然已有研究尝试将UMAP与虚拟现实（VR）结合，但设备要求限制了普及。本研究填补了这一空白，开发了基于普通计算机屏幕的3D可视化方法。

2 材料与方法

2.1 转录组数据集与t-SNE生成

数据源自Virgin Galactic Unity 22任务的植物实验。通过筛选Log₂(fold-change) >1或<-1且p值<0.05的显著差异表达基因，使用R包Rtsne（eta=2000）生成t-SNE投影，并通过DBSCAN算法（eps=2, MinPts=10）识别聚类。

2.2 Blender

使用开源软件Blender（v4.1.1）进行3D建模和动画渲染，无需额外插件。

2.3 JsDelivr与HTML脚本

通过JsDelivr内容分发网络调用GitHub上的three.js和three-orbitalcontrols.js脚本，实现HTMLview的3D渲染和交互控制。

2.4 计算资源

Blenderview渲染需中等硬件配置（如RTX 3070 GPU、32GB RAM），HTMLview可在普通计算机运行。

3 资源概述

本研究以拟南芥转录组数据为例，使用t-SNE降维后生成空间坐标。两种方法共享数据输入流程：降维算法产生3D坐标后，HTMLview直接使用最终坐标生成交互模型，Blenderview则可利用迭代过程中的坐标创建动画。Blenderview支持展示算法迭代过程（如t-SNE的聚类决策），而HTMLview支持元数据标注（如悬停信息）。补充材料提供了完整的工作流程（图2）、脚本（S1-S6）和模板文件（S7-S8），另附单细胞转录组数据应用示例（S10）。

4 结果与简要讨论

3D投影相比2D显著提升数据交互性和可视化质量（图1）。方法可扩展至单细胞数据集，例如利用拟南芥根单细胞数据（12,198个细胞）快速生成HTMLview模型（图3）。Blenderview处理大规模数据（>10,000点）时存在计算瓶颈，可通过分组优化；HTMLview可通过减少顶点数缓解性能问题。Blenderview支持算法迭代动画（图4）和高质量渲染，HTMLview提供实时交互探索（图5）。两种方法的特性对比见表1。

5 结论

数据可视化是科学沟通的核心环节。随着单细胞RNA测序等高通量技术的普及，对交互式可视化需求日益增长。本研究利用Blender等非传统工具，为研究者提供了低门槛、高灵活性的3D可视化方案，不仅适用于转录组数据（如Log₂FC聚类），还可扩展至其他坐标型图表（如火山图）。HTMLview适合快速部署，Blenderview适合高质量输出，二者均可通过二维码或网页嵌入广泛传播。

作者贡献

H.F.S.开发HTML流程并参与Blender流程；A.S.主导Blender开发；R.F.和A.L.P.设计并监督项目；所有作者参与文稿撰写与审核。

致谢

研究受NASA生物物理科学和飞行机会计划（FOP #80NSSC18K1294）支持。