一個聰明的新顯微鏡為科學(xué)家們提供了哺乳動物發(fā)展戲劇的前排座位?，F(xiàn)在，研究人員第一次可以窺探活著的小鼠胚胎，觀察腸道開始形成，心臟細(xì)胞首次嘗試嘗試。在一個關(guān)鍵的48小時窗口 - 當(dāng)初級器官開始形成時 - 科學(xué)家們可以跟蹤每個胚胎細(xì)胞并確定它去向何處，它打開了什么基因，以及它在路上遇到了什么細(xì)胞。

霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所位于弗吉尼亞州阿什本的Janelia研究園區(qū)的物理學(xué)家兼生物學(xué)家菲利普凱勒說，這項(xiàng)新工作“實(shí)際上是整個老鼠的細(xì)胞分辨率建筑計(jì)劃”。他和他的同事在2018年10月11日的Cell雜志上報告了這一結(jié)果。他們正在制作Janelia 制造的顯微鏡和計(jì)算工具，并且所有成像數(shù)據(jù)都是免費(fèi)和公開的。

Janelia發(fā)育生物學(xué)家和研究合著者凱特麥克道爾說，這些資源對于試圖生長或再生器官的科學(xué)家來說至關(guān)重要，或者有朝一日能解決子宮內(nèi)出現(xiàn)的發(fā)育問題。“要做到這一切，你首先需要了解器官是如何形成的，”她說。“你需要真正看到真正的胚胎發(fā)生了什么。”

在里面看

到目前為止，活體胚胎的最佳觀點(diǎn)來自魚類和蒼蠅。十年前，Keller及其同事開發(fā)了斑馬魚的第一個“數(shù)字胚胎”，這是一種通常由科學(xué)家研究的透視條紋小魚。

研究人員用光學(xué)顯微鏡掃描魚胚胎，通過增量切片，通過樣品照射超薄激光片。凱勒設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)程序能夠理解所有成像數(shù)據(jù)，結(jié)果為魚類開發(fā)的前24小時提供了高分辨率的一瞥。

Keller和Janelia的同事們在2014 年的“ 自然方法 ”雜志上報道了數(shù)字果蠅胚胎。這些動物的形象相對簡單，凱勒說 - 特別是斑馬魚。它們是透明的，對光不敏感，使它們成為“顯微鏡的簡單目標(biāo)”。

老鼠是一個不同的故事。讓小鼠胚胎在實(shí)驗(yàn)室中保持活力 - 即使是短時間 - 需要一系列條件。胚胎必須保持無菌，一個; 他們需要淹沒在一種營養(yǎng)湯中; 必須精確控制氣體和溫度水平。更重要的是，細(xì)胞對光非常敏感，組織可以是致密和不透明的，胚胎不能在顯微鏡下保持靜止。相反，它僅僅固定在一個點(diǎn)上，因此它“像一個小氣球一樣漂移”，McDole說。

最后，在研究期間，研究人員想要觀察，從受精后的六個半到八天半，胚胎的直徑增長超過一個數(shù)量級 - 幾乎達(dá)到3毫米，大約相當(dāng)于芝麻的長度。種子。對于顯微鏡，胚胎是一個移動的目標(biāo)，不斷改變大小和位置。凱勒說，即使一個人在實(shí)驗(yàn)室里露營，每五分鐘調(diào)整一次焦距兩天，也無法捕捉到整個胚胎的清晰圖像。

所以他的團(tuán)隊(duì)采取了不同的策略 - 他們設(shè)計(jì)了一臺可以完成所有工作的顯微鏡。

更智能的范圍

在Janelia研究人員的顯微鏡的中心，一個清晰的丙烯酸立方體容納胚胎成像室。兩張照片照亮胚胎，兩個攝像頭記錄圖像。這些組件讓研究人員窺探曾經(jīng)看不見的早期器官發(fā)育世界，以前所未見的高分辨率細(xì)節(jié)揭示動態(tài)事件。

當(dāng)前腸形成時，團(tuán)隊(duì)可以看到“這不是這種緩慢溫和的過程，”麥克道爾說。“整個事情只是陷入困境并形成了一個巨大的漏洞。” 神經(jīng)管，后來形成大腦和脊髓的結(jié)構(gòu)，像拉鏈一樣編織在一起，伸展整個胚胎。

顯微鏡的大腦配備了一套跟蹤胚胎位置和大小的算法。這些算法映射光片如何在樣品中移動，然后找出如何獲得最佳圖像 - 保持胚胎聚焦并在視野中居中。

由于胚胎在不斷變化，顯微鏡必須不斷適應(yīng)，在數(shù)百個不同的時間點(diǎn)，以毫秒為單位，數(shù)百張圖像做出決定。“我不會說我們的顯微鏡比人類更聰明，”凱勒說，“但它能夠完成人類操作員無法做到的事情。”

新工具

對于每個檢查的胚胎，研究人員收集了近一百萬張圖像。然后，他們建立了一個計(jì)算工具包，用于拼湊每個胚胎細(xì)胞發(fā)育弧的圖片。第一步是跟蹤每個細(xì)胞超過48小時的成像數(shù)據(jù)。這依賴于團(tuán)隊(duì)最初為蒼蠅和斑馬魚胚胎開發(fā)的改進(jìn)的細(xì)胞追蹤計(jì)劃。該研究的共同作者，計(jì)算機(jī)科學(xué)家LéoGuignard說，結(jié)合研究小組創(chuàng)建的稱為統(tǒng)計(jì)向量流的程序，研究人員可以向后工作，找出這個八天半胚胎中每個細(xì)胞的來源。 Janelia。他說，這就像繪制每個細(xì)胞命運(yùn)和歷史的地圖。

凱勒說，如果沒有這些計(jì)劃，人類需要兩到三年才能跟蹤每一個細(xì)胞。

當(dāng)胚胎轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬咏Y(jié)構(gòu)和早期器官發(fā)生時，一系列其他工具讓團(tuán)隊(duì)充實(shí)了原腸胚的復(fù)雜性。Janelia的合作者Andrew Berger，Srinivas Turaga和Kristin Branson建立了一個細(xì)胞分裂探測器，可以自動記錄哪個細(xì)胞分裂(以及何時何地)。Guignard開發(fā)了一個程序來創(chuàng)建一個虛擬的“平均”小鼠胚胎，通過在空間和時間將四個胚胎對齊在一起。(神秘博士粉絲會認(rèn)出這個節(jié)目的名字，TARDIS，對虛構(gòu)醫(yī)生使用的時空機(jī)器的點(diǎn)頭。)

新的顯微鏡是Keller團(tuán)隊(duì)在Janelia工作的八年中開發(fā)的第六個顯微鏡; 每個都帶有新的和改進(jìn)的軟件工具。凱勒說，在許多情況下，示波器“能夠?qū)崿F(xiàn)基本上新型的成像實(shí)驗(yàn)” - 例如觀察整個小鼠胚胎的發(fā)育。

他們的最新研究涉及生物學(xué)中的一個基本問題，凱勒說：“你如何從單個細(xì)胞進(jìn)入胚胎?”