智能新顯微鏡給了科學(xué)家的前排座位的哺乳動(dòng)物發(fā)展的戲劇。第一次,研究人員現(xiàn)在可以探查活老鼠的胚胎,觀察腸道開始形成和心臟細(xì)胞第一次試探性的節(jié)拍。在關(guān)鍵的48小時(shí)時(shí)窗口基本器官開始shape-scientists可以按照每一個(gè)胚胎細(xì)胞和定位了,哪些基因打開,它一路上遇到什么細(xì)胞。

這項(xiàng)新的研究是“一個(gè)cellular-resolution建筑計(jì)劃整個(gè)鼠標(biāo),“菲利普科勒說,物理學(xué)家和生物學(xué)家霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所的Janelia研究校園,維吉尼亞州。他和他的同事報(bào)告結(jié)果10月11日,2018年,在《細(xì)胞》雜志上。和他們做顯微鏡和計(jì)算工具,建在Janelia,所有的成像數(shù)據(jù)自由和公開的。

這些資源是至關(guān)重要的,科學(xué)家試圖增長或再生器官,或者一天解決發(fā)展問題,出現(xiàn)在子宮里,凱特McDole說Janelia發(fā)育生物學(xué)家和研究合著者。“做任何,你首先需要了解器官形成,”她說。“你需要看看會(huì)發(fā)生什么在一個(gè)真正的胚胎。”

看里面

到目前為止,最好的生活觀點(diǎn)胚胎來自魚和蒼蠅。十年前,凱勒和他的同事們開發(fā)的第一個(gè)斑馬魚的胚胎“數(shù)字”,一種透明、條紋小魚經(jīng)常研究的科學(xué)家。

研究人員掃描魚胚胎的光片顯微鏡,用激光的超薄表樣本,部分由增量部分。凱勒設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)程序意義的成像數(shù)據(jù),結(jié)果提供了一個(gè)高分辨率窺魚的頭24小時(shí)內(nèi)發(fā)展。

老鼠是一個(gè)不同的故事。維持小鼠胚胎生命的實(shí)驗(yàn)室甚至短時(shí)間內(nèi)需要一籮筐的條件。必須保持無菌,胚胎;他們需要浸在一種營養(yǎng)湯;和天然氣和溫度水平必須精確控制。更重要的是,細(xì)胞對光線非常敏感,可以密集的和不透明的組織,胚胎不能仍然在顯微鏡下舉行。相反,它是固定在一個(gè)點(diǎn),所以它四周像個(gè)小氣球,“McDole說。

最后,研究人員想要觀察的時(shí)間段中,從六到八天半半受精后胚胎生長超過訂單的大小近3毫米直徑,長度的芝麻。顯微鏡下,胚胎是一個(gè)移動(dòng)的目標(biāo),不斷變化的大小和位置。即使人類在實(shí)驗(yàn)室里扎營,調(diào)整范圍的重點(diǎn)為兩天,每隔五分鐘不能捕獲整個(gè)胚胎的清晰圖像,凱勒說。

所以他的團(tuán)隊(duì)采取了不同的設(shè)計(jì)tack-they顯微鏡,可以做所有的工作。

聰明的范圍

的中心Janelia研究者的顯微鏡,一個(gè)清晰的、丙烯酸立方體房屋胚胎成像室。兩個(gè)光表闡明胚胎,兩個(gè)攝像頭記錄圖像。這些組件讓once-unseen世界的間諜人員器官的早期發(fā)育,高分辨率詳細(xì)地揭示動(dòng)態(tài)事件沒有人見過。

前腸形式時(shí),團(tuán)隊(duì)可以看到,“不是這緩慢溫和的過程,”McDole說。“整件事只是洞穴中,使一個(gè)巨大的洞。”和神經(jīng)管,結(jié)構(gòu)形式大腦和脊髓的晚些時(shí)候,交織在一起像一個(gè)拉鏈,橫跨胚胎。

顯微鏡的大腦配備一套算法追蹤胚胎的位置和大小。這些算法映射如何穿過樣品的光表然后找出如何得到最英俊images-keeping胚胎專注和集中在視野。

因?yàn)榕咛ナ遣粩嘧兓?顯微鏡必須不斷調(diào)整,決定以毫秒為單位,在成百上千的圖片,數(shù)以百計(jì)的不同的時(shí)間點(diǎn)。“我不會(huì)說我們的顯微鏡是比人類聰明,”凱勒說,“但這是做事的能力,人類操作員不能做。”

新工具

對于每一個(gè)胚胎檢查,研究人員收集了近一百萬的圖像。然后,他們建立了一個(gè)計(jì)算工具包來拼湊的照片每個(gè)胚胎細(xì)胞的發(fā)育。第一步是要遵循每一個(gè)細(xì)胞都超過48小時(shí)的成像數(shù)據(jù)。,依賴于一種改進(jìn)cell-tracking項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)最初開發(fā)飛和斑馬魚胚胎。結(jié)合項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建稱為統(tǒng)計(jì)向量流,研究人員可以追溯出eight-and-a-half-day-old中的每個(gè)細(xì)胞胚胎從何而來,計(jì)算機(jī)科學(xué)家研究合著者Leo Guignard說Janelia。就像畫一個(gè)地圖的每一個(gè)細(xì)胞的命運(yùn)和歷史,他說。

沒有這些項(xiàng)目,將人類的兩到三年跟蹤每一個(gè)細(xì)胞,凱勒說。

數(shù)組的其他工具讓團(tuán)隊(duì)充實(shí)原腸胚形成的復(fù)雜性,當(dāng)胚胎轉(zhuǎn)換成多層結(jié)構(gòu),早期器官形成。Janelia合作者安德魯·伯杰斯Turaga,克里斯汀布蘭森建立了細(xì)胞分裂探測器自動(dòng)日志,細(xì)胞分裂(以及何時(shí)何地)。和Guignard開發(fā)出一種程序來創(chuàng)建一個(gè)虛擬的“平均”老鼠胚胎,通過調(diào)整四個(gè)胚胎在空間和時(shí)間。(醫(yī)生的球迷將會(huì)認(rèn)識(shí)到程序的名字,TARDIS,點(diǎn)頭到時(shí)空機(jī)使用的虛構(gòu)的醫(yī)生。)

新顯微鏡是凱勒的第六次的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了在他八年Janelia;每一個(gè)新的和改進(jìn)的軟件工具。在許多情況下,凱勒說,范圍“啟用全新類型的成像實(shí)驗(yàn)”——比如看整個(gè)小鼠胚胎發(fā)展。

他們最近的工作涉及生物學(xué)基本問題,凱勒說:“如何從一個(gè)單細(xì)胞胚胎嗎?”