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智能新显微镜给了科学家的前排座位的哺乳动物发展的戏剧。第一次,研究人员现在可以探查活老鼠的胚胎,观察肠道开始形成和心脏细胞第一次试探性的节拍。在关键的48小时时窗口基本器官开始shape-scientists可以按照每一个胚胎细胞和定位了,哪些基因打开,它一路上遇到什么细胞。
这项新的研究是“一个cellular-resolution建筑计划整个鼠标,“菲利普科勒说,物理学家和生物学家霍华德·休斯医学研究所的Janelia研究校园,维吉尼亚州。他和他的同事报告结果10月11日,2018年,在《细胞》杂志上。和他们做显微镜和计算工具,建在Janelia,所有的成像数据自由和公开的。
这些资源是至关重要的,科学家试图增长或再生器官,或者一天解决发展问题,出现在子宫里,凯特McDole说Janelia发育生物学家和研究合著者。“做任何,你首先需要了解器官形成,”她说。“你需要看看会发生什么在一个真正的胚胎。”
看里面
到目前为止,最好的生活观点胚胎来自鱼和苍蝇。十年前,凯勒和他的同事们开发的第一个斑马鱼的胚胎“数字”,一种透明、条纹小鱼经常研究的科学家。
研究人员扫描鱼胚胎的光片显微镜,用激光的超薄表样本,部分由增量部分。凯勒设计计算机程序意义的成像数据,结果提供了一个高分辨率窥鱼的头24小时内发展。
老鼠是一个不同的故事。维持小鼠胚胎生命的实验室甚至短时间内需要一箩筐的条件。必须保持无菌,胚胎;他们需要浸在一种营养汤;和天然气和温度水平必须精确控制。更重要的是,细胞对光线非常敏感,可以密集的和不透明的组织,胚胎不能仍然在显微镜下举行。相反,它是固定在一个点,所以它四周像个小气球,“McDole说。
最后,研究人员想要观察的时间段中,从六到八天半半受精后胚胎生长超过订单的大小近3毫米直径,长度的芝麻。显微镜下,胚胎是一个移动的目标,不断变化的大小和位置。即使人类在实验室里扎营,调整范围的重点为两天,每隔五分钟不能捕获整个胚胎的清晰图像,凯勒说。
所以他的团队采取了不同的设计tack-they显微镜,可以做所有的工作。
聪明的范围
的中心Janelia研究者的显微镜,一个清晰的、丙烯酸立方体房屋胚胎成像室。两个光表阐明胚胎,两个摄像头记录图像。这些组件让once-unseen世界的间谍人员器官的早期发育,高分辨率详细地揭示动态事件没有人见过。
前肠形式时,团队可以看到,“不是这缓慢温和的过程,”McDole说。“整件事只是洞穴中,使一个巨大的洞。”和神经管,结构形式大脑和脊髓的晚些时候,交织在一起像一个拉链,横跨胚胎。
显微镜的大脑配备一套算法追踪胚胎的位置和大小。这些算法映射如何穿过样品的光表然后找出如何得到最英俊images-keeping胚胎专注和集中在视野。
因为胚胎是不断变化的,显微镜必须不断调整,决定以毫秒为单位,在成百上千的图片,数以百计的不同的时间点。“我不会说我们的显微镜是比人类聪明,”凯勒说,“但这是做事的能力,人类操作员不能做。”
新工具
对于每一个胚胎检查,研究人员收集了近一百万的图像。然后,他们建立了一个计算工具包来拼凑的照片每个胚胎细胞的发育。第一步是要遵循每一个细胞都超过48小时的成像数据。,依赖于一种改进cell-tracking项目团队最初开发飞和斑马鱼胚胎。结合项目团队创建称为统计向量流,研究人员可以追溯出eight-and-a-half-day-old中的每个细胞胚胎从何而来,计算机科学家研究合著者Leo Guignard说Janelia。就像画一个地图的每一个细胞的命运和历史,他说。
没有这些项目,将人类的两到三年跟踪每一个细胞,凯勒说。
数组的其他工具让团队充实原肠胚形成的复杂性,当胚胎转换成多层结构,早期器官形成。Janelia合作者安德鲁·伯杰斯Turaga,克里斯汀布兰森建立了细胞分裂探测器自动日志,细胞分裂(以及何时何地)。和Guignard开发出一种程序来创建一个虚拟的“平均”老鼠胚胎,通过调整四个胚胎在空间和时间。(医生的球迷将会认识到程序的名字,TARDIS,点头到时空机使用的虚构的医生。)
新显微镜是凯勒的第六次的团队开发了在他八年Janelia;每一个新的和改进的软件工具。在许多情况下,凯勒说,范围“启用全新类型的成像实验”——比如看整个小鼠胚胎发展。
他们最近的工作涉及生物学基本问题,凯勒说:“如何从一个单细胞胚胎吗?”
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