Kalantari Sarcheshmeh, Aref
ORCID: 0000-0003-3050-0930
(2026).
A Unified Framework for Multimodal Animal Studies: Data Management, MRI Quality Control, and Proportional Recovery in Mice.
PhD thesis, Universität zu Köln.
|
PDF
PhD_Thesis_libraryVersion.pdf - Accepted Version Download (15MB) |
Abstract
Preclinical stroke research investigates the acute brain injury, the related pathophysiology, and recovery mechanisms to develop therapies translatable to clinical practice. Integrating multimodal data of behavioral outcomes and magnetic resonance imaging (MRI biomarker), holds great promise for the discovery of novel mechanisms and monitoring of therapeutic effects. But that approach generates a vast amount of highly diverse data in format and scale, ranging from data tables documenting behavioral metrics to MR image datasets. Previously, data was stored in disparate formats, hindering reproducibility. Moreover, ensuring high-quality MRI data from large datasets requires time-intensive manual labor. To address these challenges, this thesis established a unified framework for multimodal animal studies, grounded in Findable, Accessible, Interoperable, and Reusable data management and aligned with the Replacement, Reduction, and Refinement principles of animal research. An infrastructure was implemented that leverages DataLad for version-controlled workflows and GIN for long-term public archiving, resulting in a transparent, efficient, and sustainable research data pipeline. Building on this foundation, AIDAqc was developed: an automated quality-control pipeline that extracts quantitative imaging metrics and employs multiple machine-learning models in a majority-vote framework, detecting outlier scans efficiently and intelligently. Validated on 23 real-world datasets from 19 international institutes, AIDAqc ensures objective detection of poor-quality data before further processing, demonstrating robustness and generalizability across diverse settings. Finally, the platform was employed to test the Proportional Recovery Rule, a well-established clinical model describing a linear relationship between initial motor impairment and subsequent functional improvement, in a mouse stroke model. To this end, a Mouse Recovery Rule was proposed, demonstrating that approximately 90% of lost motor function is regained, comparable to the 70% recovery observed in humans. The integrated approach developed in this thesis represents a scalable blueprint for multimodal data management in translational animal research and serves as an example for a novel type of large data-driven experimental stroke studies.
| Item Type: | Thesis (PhD thesis) |
| Translated title: | Title Language Ein einheitliches Rahmenkonzept für multimodale Tierstudien: Datenmanagement, Qualitätskontrolle der Magnetresonanztomographie und proportionale Erholung bei Mäusen German چارچوبی یکپارچه برای پژوهشهای چندوجهی بر روی حیوانات: مدیریت دادهها، کنترل کیفیت تصویربرداری با تشدید مغناطیسی و بهبودی متناسب در موشها Iranian languages |
| Translated abstract: | Abstract Language Die präklinische Schlaganfallforschung untersucht die akute Hirnverletzung, die zugrunde liegende Pathophysiologie und die Erholungsmechanismen, um Therapien zu entwickeln, die in die klinische Praxis übertragbar sind. Die Integration multimodaler Daten zu Verhaltensparametern und magnetresonanztomographischen (MRT-)Biomarkern birgt großes Potenzial für die Entdeckung neuartiger Mechanismen und die Überwachung therapeutischer Effekte. Dieser Ansatz erzeugt jedoch eine enorme Menge hochdiverser Daten in Format und Umfang, angefangen bei Datentabellen zur Dokumentation von Verhaltensmetriken bis hin zu MR-Bilddatensätzen. Bis jetzt wurden die Daten in uneinheitlichen Formaten gespeichert, was die Reproduzierbarkeit erschwert hat. Außerdem ist die Gewährleistung einer hohen Qualität der MRT-Daten bei großen Datensätzen mit erheblichem manuellem Aufwand verbunden. Zur Bewältigung dieser Herausforderungen etablierte diese Arbeit ein einheitliches Rahmenwerk für multimodale Tierstudien, basierend auf den FAIR-Prinzipien (Findable, Accessible, Interoperable, Reusable) des Datenmanagements sowie den 3R-Prinzipien (Replacement, Reduction, Refinement) der Tierversuchsforschung. Es wurde eine Infrastruktur implementiert, die DataLad für versionierte Workflows und GIN für die langfristige öffentliche Archivierung nutzt, wodurch eine transparente, effiziente und nachhaltige Forschungsdatenpipeline entsteht. Darauf aufbauend wurde AIDAqc entwickelt, eine automatisierte Qualitätssicherungs-Pipeline, die quantitative Bildgebungsmetriken extrahiert und in einem MehrheitsentscheidungsFramework mehrere Machine-Learning-Modelle einsetzt, um Ausreißer Scans effizient und intelligent zu detektieren. Validiert an 23 realen Datensätzen aus 19 internationalen Einrichtungen, gewährleistet AIDAqc eine objektive Erkennung minderwertiger Daten vor der weiteren Verarbeitung und demonstriert Robustheit sowie Generalisierbarkeit über unterschiedliche Settings hinweg. Abschließend wurde die Plattform in einem MausSchlaganfallmodell eingesetzt, um die Proportional Recovery Rule zu testen, ein etabliertes klinisches Modell, das eine lineare Beziehung zwischen initialer motorischer Beeinträchtigung und anschließender funktioneller Verbesserung beschreibt. Hierfür wurde die Mouse Recovery Rule vorgeschlagen, die zeigt, dass etwa 90 % der verlorenen motorischen Funktion wiedererlangt werden, vergleichbar mit den rund 70 % Erholung beim Menschen. Der entwickelte integrierte Ansatz stellt eine skalierbare Vorlage für das multimodale Datenmanagement in der translationalen Tierforschung dar und dient als Beispiel für eine neue Form datengetriebener experimenteller Schlaganfallstudien. German پژوهشهای پیشبالینی در زمینه سکته مغزی، آسیب حاد مغزی، سازوکارهای آسیبشناختی زیربنایی و فرایندهای بهبودی را بررسی میکنند تا روشهای درمانی قابل انتقال به کاربردهای بالینی توسعه یابند. ادغام دادههای چندوجهی مربوط به شاخصهای رفتاری و نشانگرهای زیستی حاصل از تصویربرداری تشدید مغناطیسی، ظرفیت بالایی برای شناسایی سازوکارهای جدید و پایش اثرات درمانی دارد.
بااینحال، این رویکرد حجم عظیمی از دادههای ناهمگون را از نظر قالب و مقیاس تولید میکند؛ از جدولهای ثبت شاخصهای رفتاری گرفته تا مجموعهدادههای تصاویر تشدید مغناطیسی. در گذشته، دادهها در قالبهای ناهماهنگ ذخیره میشدند که بازتولیدپذیری پژوهشها را دشوار میکرد. افزون بر این، تضمین کیفیت بالای دادههای تصویربرداری تشدید مغناطیسی در مجموعهدادههای بزرگ، به کار دستی فراوان و زمانبری نیاز دارد.
برای مقابله با این چالشها، این رساله چارچوبی یکپارچه برای مطالعات چندوجهی حیوانی ایجاد کرده است. این چارچوب بر اصول مدیریت دادهها، شامل قابلیت یافتن، دسترسیپذیری، تعاملپذیری و استفاده مجدد، و همچنین اصول سهگانه جایگزینی، کاهش و بهبود روشها در پژوهشهای حیوانی استوار است.
در این راستا، زیرساختی پیادهسازی شد که از ابزار «دیتالد» برای مدیریت فرایندهای کاری همراه با ثبت نسخههای مختلف و از بستر «گین» برای بایگانی عمومی و بلندمدت دادهها استفاده میکند. نتیجه این کار، ایجاد یک فرایند مدیریت دادههای پژوهشی شفاف، کارآمد و پایدار بود.
بر پایه این زیرساخت، سامانه «آیداکیوسی» توسعه یافت؛ یک سامانه خودکار کنترل کیفیت که شاخصهای کمی تصویربرداری را استخراج میکند و با بهرهگیری از چندین مدل یادگیری ماشین و سازوکار رأیگیری اکثریت، تصاویر غیرعادی و دارای کیفیت نامطلوب را بهصورت کارآمد و هوشمندانه شناسایی میکند.
این سامانه با استفاده از ۲۳ مجموعهداده واقعی از ۱۹ مؤسسه بینالمللی ارزیابی شد. نتایج نشان داد که «آیداکیوسی» میتواند پیش از مراحل بعدی پردازش، دادههای کمکیفیت را بهصورت عینی شناسایی کند و در شرایط و محیطهای گوناگون از استحکام و قابلیت تعمیم بالایی برخوردار است.
در مرحله نهایی، از این چارچوب برای بررسی «قاعده بهبودی متناسب» در یک مدل سکته مغزی در موش استفاده شد. این قاعده، مدلی بالینی و شناختهشده است که رابطهای خطی میان شدت اختلال حرکتی اولیه و میزان بهبود عملکردی پس از آن توصیف میکند.
بر این اساس، «قاعده بهبودی در موش» پیشنهاد شد که نشان میدهد حدود ۹۰ درصد از عملکرد حرکتی ازدسترفته در موشها بازیابی میشود؛ درحالیکه میزان بهبودی گزارششده در انسانها حدود ۷۰ درصد است.
رویکرد یکپارچه توسعهیافته در این رساله، الگویی مقیاسپذیر برای مدیریت دادههای چندوجهی در پژوهشهای حیوانی با هدف کاربرد بالینی ارائه میدهد و نمونهای از شکل نوینی از مطالعات تجربی سکته مغزی مبتنی بر دادههای گسترده به شمار میرود. Iranian languages |
| Creators: | Creators Email ORCID ORCID Put Code |
| URN: | urn:nbn:de:hbz:38-815512 |
| Date: | 2026 |
| Place of Publication: | Köln |
| Language: | English |
| Faculty: | Central Institutions / Interdisciplinary Research Centers Collaborative Research Centers Ehemalige Erziehungswissenschaftliche Fakultät Ehemalige Heilpädagogische Fakultät External institution Faculty of Arts and Humanities Faculty of Human Sciences Faculty of Law Faculty of Management, Economy and Social Sciences Faculty of Mathematics and Natural Sciences Faculty of Medicine Unspecified |
| Divisions: | Faculty of Medicine > Neurologie > Klinik und Poliklinik für Neurologie |
| Subjects: | Data processing Computer science Natural sciences and mathematics Medical sciences Medicine |
| Uncontrolled Keywords: | Keywords Language Preclinical Stroke Research; Multimodal Data Management; Magnetic Resonance Imaging (MRI); MRI Quality Control; FAIR Data Principles; Machine Learning; Proportional Recovery Rule; Mouse Stroke Model English Präklinische Schlaganfallforschung; Multimodales Datenmanagement; Magnetresonanztomographie (MRT); MRT-Qualitätskontrolle; FAIR-Datenprinzipien; Maschinelles Lernen; Regel der proportionalen Erholung; Mausmodell des Schlaganfalls German پژوهشهای پیشبالینی سکته مغزی؛ مدیریت دادههای چندوجهی؛ تصویربرداری تشدید مغناطیسی؛ کنترل کیفیت تصویربرداری تشدید مغناطیسی؛ اصول یافتپذیری، دسترسپذیری، تعاملپذیری و استفاده مجدد از دادهها؛ یادگیری ماشین؛ قاعده بهبودی متناسب؛ مدل سکته مغزی در موش Iranian languages |
| Date of oral exam: | 11 December 2025 |
| Referee: | Name Academic Title van Eimeren, Thilo Prof. Dr. Kambeitz, Joseph Prof. Dr. |
| Refereed: | Yes |
| URI: | http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/81551 |
Downloads
Downloads per month over past year
Export
Actions (login required)
![]() |
View Item |
https://orcid.org/0000-0003-3050-0930