從一個(gè)受精卵發(fā)育成多種功能的胚胎，細胞要經(jīng)過(guò)上千次分裂和復雜的排列重組。據物理學(xué)家組織網(wǎng)6月3日報道，霍華德·休斯醫學(xué)研究院珍妮莉婭法姆研究學(xué)院開(kāi)發(fā)出一種最新的成像技術(shù)，能以前所未有的速度和精確度看到這一過(guò)程，讓人們能追蹤胚胎成形時(shí)每個(gè)細胞在幾天甚至幾小時(shí)內的變化。相關(guān)論文發(fā)表在6月3日出版的《自然·方法學(xué)》上。

    研究人員演示了一段約20小時(shí)的果蠅胚胎發(fā)育視頻。在視頻中，生物結構逐漸出現，從一小團簡(jiǎn)單的細胞簇慢慢變長(cháng)，變成上萬(wàn)個(gè)細胞緊緊擠在一起的拉長(cháng)的小胚胎，然后在新形成的肌肉收縮舒張下開(kāi)始顫動(dòng)，此時(shí)胚胎僅有半毫米長(cháng)。此外，論文中還有一段果蠅胚胎中樞神經(jīng)系統完整的發(fā)育視頻，跟蹤了單個(gè)細胞發(fā)育出感覺(jué)器官、腦葉及其他結構的過(guò)程，由于分辨率足夠高，還能看到神經(jīng)軸突尖端迅速變化。

    發(fā)明該技術(shù)的珍妮莉婭法姆研究學(xué)院的菲利普·凱勒說(shuō)，要理解一個(gè)單細胞怎樣變成了復雜的組織，真實(shí)看到這一過(guò)程非常重要。傳統光學(xué)顯微鏡速度太慢，無(wú)法跟蹤細胞在生命初期的迅速變化，也容易破壞一個(gè)活胚胎，只能通過(guò)把多階段、多組織的照片拼在一起，才能推測發(fā)生的變化，但“細胞分裂重組每次都不一樣，這種觀(guān)察方法可能會(huì )產(chǎn)生誤導”。

    新技術(shù)基于一種高速非侵入式光學(xué)顯微鏡，稱(chēng)為SiMView光層顯微鏡，能從4個(gè)角度同時(shí)拍攝圖像，不僅能跟蹤細胞運動(dòng)，還能對發(fā)展過(guò)程進(jìn)行數量分析。該顯微鏡由凱勒小組和德國的歐洲分子生物實(shí)驗室合作開(kāi)發(fā)，攻克了傳統光學(xué)顯微鏡的兩個(gè)難題：一是光源對樣本造成的傷害，二是對海量數據進(jìn)行處理分析。

    大部分光源都會(huì )傷害細胞，使其中的熒光標記消失。研究小組設計的照明技術(shù)是一種激光掃描層，一次照射樣本極薄的一層以減少傷害，由探測儀記錄下被照亮的部分。光層來(lái)自?xún)蓚€(gè)相反方向，并用兩個(gè)探測儀來(lái)探測熒光，照明與探測相結合，提供了4個(gè)不同的觀(guān)察角度。不僅能避免由于光散射而造成的模糊，還將圖像采集速度提高了50倍。

    要讓照亮樣本和探測熒光在時(shí)間、位置上協(xié)調一致，時(shí)機吻合極為重要，光層交叉通過(guò)會(huì )造成圖像模糊，發(fā)光間隔僅幾毫秒。為了保持精度，SiMView還安裝了實(shí)時(shí)調節的電子系統。

    顯微鏡每秒會(huì )收集350Mb的數據，一個(gè)樣本一天要產(chǎn)生海量數據，而不同條件或不同基因的發(fā)育對比實(shí)驗，所要求的數據比這還要多好多倍。為此，研究人員開(kāi)發(fā)出一種新的計算方法，能識別并跟蹤顯微鏡視頻中單個(gè)細胞并自動(dòng)分析。這些都構成了拍攝活樣本這一完整技術(shù)框架的必要組成部分。

    凱勒表示，他們還將繼續改進(jìn)顯微鏡使計算過(guò)程更加有效。今后不僅能追蹤胚胎中細胞的一代代世系，還可能控制發(fā)育以探索發(fā)育機制，并研究其他更大更復雜樣本的發(fā)育過(guò)程。