生物學：新的顯微鏡提供4-D觀察活小鼠的胚胎髮育！
一種新的光片顯微鏡為科學家們提供了開發鼠標的窗口。圖片來源：K。McDole等人/Cell2018。
一個聰明的新顯微鏡為科學家們提供了哺乳動物發展戲劇的前排座位。
研究人員現在可以第一次看到活著的小鼠胚胎，看著腸道開始形成，心臟細胞開始嘗試第一次。在一個關鍵的48小時窗口 - 當初級器官開始形成時 - 科學家們可以跟蹤每個胚胎細胞並確定它去向何處，它打開了什麼基因，以及它在路上遇到了什麼細胞。
霍華德休斯醫學研究所位於弗吉尼亞州阿什伯恩的Janelia研究園區的物理學家和生物學家菲利普凱勒說，這項新工作“實際上是整個老鼠的細胞分辨率建築計劃”。他和他的同事在2018年10月11日的Cell雜誌上報告了這一結果。他們正在製作Janelia 製造的顯微鏡和計算工具，並且所有成像數據都是免費和公開的。
Janelia發育生物學家和研究合著者凱特麥克道爾說，這些資源對於試圖生長或再生器官的科學家來說至關重要，或者有朝一日能解決子宮內出現的發育問題。“要做到這一點，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生了什麼。”
在裡面看
到目前為止，活體胚胎的最佳觀點來自魚類和蒼蠅。十年前，Keller及其同事開發了斑馬魚的第一個“數字胚胎”，這是一種通常由科學家研究的透視條紋小魚。
研究人員用光片顯微鏡掃描魚胚胎，通過增量切片，通過樣品照射超薄激光片。凱勒設計的計算機程序能夠理解所有成像數據，結果為魚類發育的前24小時提供了高分辨率的一瞥。
使用新的自適應多視圖光學顯微鏡，科學家們可以觀察神經管摺疊和閉合的進展。圖片來源：K。McDole 等人 / Cell 2018。
Keller和Janelia的同事們在2014 年的“ 自然方法 ”雜誌上報道了數字果蠅胚胎。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“顯微鏡的輕鬆目標”。
老鼠是一個不同的故事。讓小鼠胚胎在實驗室中保持活力 - 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湯中; 必須精確控制氣體和溫度水平。更重要的是，細胞對光非常敏感，組織可以是緻密和不透明的，胚胎不能在顯微鏡下保持靜止。相反，它僅僅固定在一個點上，因此它“像一個小氣球一樣漂移”，麥克道爾說。
最後，在研究人員想要觀察的時間段內，從受精後的六個半到八天半，胚胎的生長幅度超過一個數量級 - 直徑幾乎達到3毫米，大約相當於芝麻的長度。種子。對於顯微鏡，胚胎是一個移動的目標，不斷改變大小和位置。凱勒說，即使一個人在實驗室裡露營，每五分鐘調整一次焦距兩天，也無法捕捉整個胚胎的清晰圖像。
所以他的團隊採取了不同的策略 - 他們設計了一臺可以完成所有工作的顯微鏡。
更智能的範圍！
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。兩個燈光照亮胚胎，兩個攝像頭記錄圖像。這些組件讓研究人員窺探曾經看不見的早期器官發育世界，以前所未見的高分辨率細節揭示動態事件。
當前腸形成時，團隊可以看到“這不是一個緩慢溫和的過程，”麥克道爾說。“整個事情只是陷入困境並造成巨大的漏洞。” 神經管，後來形成大腦和脊髓的結構，像拉鍊一樣編織在一起，伸展整個胚胎。
用於成像鼠標開發的多視圖光板顯微鏡的計算機模型的動畫渲染。圖片來源：K。McDole 等人 / Cell 2018
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，然後找出如何獲得最佳圖像 - 保持胚胎聚焦並在視野中居中。
由於胚胎在不斷變化，顯微鏡必須不斷適應，在數百個不同的時間點以毫秒為單位，在數百張圖像上作出決定。“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！
對於每個檢查的胚胎，研究人員收集了近一百萬張圖像。然後，他們建立了一個計算工具包，用於拼湊每個胚胎細胞發育弧的圖片。第一步是跟蹤每個細胞超過48小時的成像數據。這依賴於團隊最初為蒼蠅和斑馬魚胚胎開發的改進的細胞追蹤計劃。該研究的共同作者，計算機科學家LéoGuignard說，結合研究小組創建的稱為統計矢量流的程序，研究人員可以倒退，找出這個8天半胚胎中每個細胞的來源。 Janelia。他說，這就像繪製每個細胞命運和歷史的地圖。凱勒說，如果沒有這些計劃，人類需要兩到三年才能跟蹤每一個細胞。
當胚胎轉變為多層結構和早期器官發生時，一系列其他工具讓團隊充實了原腸胚的複雜性。Janelia的合作者Andrew Berger，Srinivas Turaga和Kristin Branson建立了一個細胞分裂探測器，可以自動記錄哪個細胞分裂（以及何時何地）。Guignard開發了一個程序來創建一個虛擬的“平均”小鼠胚胎，通過在空間和時間對齊四個胚胎。（神秘博士粉絲會認出這個節目的名字，TARDIS，對虛構醫生使用的時空機器的點頭）。
新的顯微鏡是Keller團隊在Janelia工作八年後開發的第六個顯微鏡; 每個都帶有新的和改進的軟件工具。凱勒說，在許多情況下，示波器“能夠實現基本上新型的成像實驗” - 例如觀察整個小鼠胚胎的發育。
他們的最新研究工作涉及生物學中的一個基本問題，凱勒說：“你如何從單個細胞進入胚胎？”
閱讀更多 寄情山水草木間 的文章
