业界 | 智能显微镜带领人类观看动物细胞演化大戏

编译：DonFJ、蒋宝尚

这还是第一次！

研究人员们可以直接观察小鼠的胚胎，观察肠道的形成，看到心脏细胞的第一次跳动。

甚至，在关键的48小时窗口中，当原始稚嫩的器官开始生长成型的时候，科学家们能够追踪每一个胚胎细胞，确定它的去向和变化，看看它打开了什么基因的锁头，以及它在此期间遇到了什么细胞。

“其实，这项新工作是整个老鼠的细胞分辨率构建计划”，来自美国维吉尼亚阿什本Howard Hughes Medical 研究院Janelia Research 校区的物理学家和生物学家Philipp Keller如是说。

他和他的小伙伴们在2018年10月11日的《Cell》杂志上发表了这项研究成果。他们研究中用到的显微镜和计算工具都是在Janelia校区制作的，而且现在所有研究中的图像数据都已经免费公开啦～

“对于从事培养和再生器官的科学家，还有那些想研究在子宫中修复胎儿发育问题的研究人员来说，这些资源都是十分重要的”，Janelia校区的发展生物学家Kate McDole如是说，他也是这项研究的成员。“在进行这些研究之前，你得了解器官是怎么形成的”，她说，“你需要真正的看到在子宫里发生了什么”。

深入观察

迄今为止，活体胚胎的最佳观察对象还是鱼类和苍蝇。十年前，Keller和同事们研制出了第一个斑马鱼的“电子胚胎”。斑马鱼是一种透明的条状的小鱼，常常被科学家们拿来实验。

科学家们用电子显微镜扫描鱼的胚胎，用超薄光片逐段照射样本。Keller还编程来处理每一段图像数据。这样的成果是能够给出一个对鱼类前24小时研究的高分辨率的图像数据。

Keller和同事们继续他们的研究，他们的电子苍蝇胚胎工作发表在2014年的Nature Method杂志上。“这些动物的图像相对来说比较简单，”Keller说，“特别是斑马鱼”。“它们是透明的，而且对于光线不敏感，这使得它们比较适合用显微镜来观察”。

观察老鼠的研究就是另一码事儿了。想让老鼠的胚胎在实验室环境下生存，哪怕就是一小段时间，也需要繁多无比的条件。首先，胚胎必须要无菌；还得浸泡在营养液中；温度和空气等级都必须要精确严格的控制。此外，细胞对光线特别的敏感，各种组织可能是密集而不透明的。胚胎在用显微镜观察的时候还没法固定住，“它只能在一点上固定住，跟个气球一样飘来飘球。 ”McDole这样形容。

最后，研究人员如果想在受精后6.5天到8.5天进行观察工作的话，胚胎每天都会变化一个量级——长大大概3毫米直径。对于显微镜来说，胚胎就跟一个移动靶一样，位置和大小一直都在变化。就算是让一个专职人员天天吃住在实验室，连续两天每隔五分钟调整显微镜的焦距，也无法捕捉到整个胚胎的清晰图像。

所以他们团队选择了一条更科学的路，他们设计了一台智能显微镜。

智能显微镜

在Janelia显微镜的中心，一个清晰的丙烯酸立方体中就是胚胎成像室。两个补光板照射着胚胎，然后两个相机负责拍照。这些设备能够让研究者见到早期器官发育的未知世界，用高精度的相机来揭示这一从未被人类见过的世界中的动态与细节。

当前肠形成的时候，团队能够看到“这不是一个缓慢的温柔的过程”，McDole说，“它整体就像是有什么东西在挖一样，然后形成一个巨大的洞”。然后神经管，这个最终回形成大脑和脊髓的结构，像一个拉链一样编织在一起，伸展在胚胎上。

智能显微镜上装配了一套算法来追踪胚胎的位置和大小。这些算法控制着补光板怎么移动，然后告诉相机怎么拍出最好的照片来让胚胎处于图片的中心。

由于胚胎一只在变化，显微镜必须也跟着一直调整。它需要在毫秒之间做出决策， 来为上百张图片在上百个时间点上进行服务。“这并不是说我们的显微镜就比人聪明”，Keller说，“但是它确实能做一些人做不了的事情”。

新工具

对于每个实验的胚胎来说，研究人员都收集了将近百万张图片。然后他们还开发了一套计算工具来将每一个胚胎细胞发育的过程拼接在一起。第一步是跟踪每个细胞48小时的图像数据。这个工作使用的是团队以前给斑马鱼和苍蝇胚胎细胞用的一套细胞跟踪程序。在将其和团队新研发的“统计矢量流（statical vector flow）”融合之后，研究人员就能够知道那个“八天半岁数”的胚胎的细胞是从哪儿来的了。项目成员Léo Guignard如上告诉我们。Léo Guignard是Janelia的一位计算机科学家，他说这就像为每一个细胞绘制了发展和命运的脉络图一样。

Keller说，如果没有这些计算机程序的话，这些工作可能要耗费一个人两到三年的功夫来持续跟踪每个细胞。

当胚胎发育成多层结合和早期器官的时候，一系列的工具让团队能够有血有肉的知道原肠胚是如何形成的。Janelia的合作者Andrew Berger、Srinivas Turaga和Kristin Branson搭建了一个细胞分裂检测器，它能自动记录细胞分裂的时间和地点。Guignard通过将四个胚胎在时间和空间上对齐，从而编程模拟了一个虚拟的“平均”老鼠胚胎。（如果哪个医生用过的话可能知道这个程序的名字，叫TARDIS，嗯，好像没人知道，好尴尬，没事儿，你看，好像有个虚拟时空中的医生点了点头）

这个新显微镜是Keller团队在Janelia研究的第八年中产出的第六代产物。每代的产物都有新的改进的软件工具。在很多情况下，Keller说，这些显微镜“能够实现基本新型的图像实验”，比如说观察老鼠胚胎细胞的整体演化过程。

他们最新的研究正在尝试回答生物学界的一个根本问题，Keller说：“你是怎么从一个单细胞变成一个胚胎的”。

相关报道：

https://www.sciencedaily.com/releases/2018/10/181011143110.htm

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