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一个聪明的新显微镜为科学家们提供了哺乳动物发展戏剧的前排座位。现在，研究人员第一次可以窥探活着的小鼠胚胎，观察肠道开始形成，心脏细胞首次尝试尝试。在一个关键的48小时窗口 - 当初级器官开始形成时 - 科学家们可以跟踪每个胚胎细胞并确定它去向何处，它打开了什么基因，以及它在路上遇到了什么细胞。
霍华德休斯医学研究所位于弗吉尼亚州阿什本的Janelia研究园区的物理学家兼生物学家菲利普凯勒说，这项新工作“实际上是整个老鼠的细胞分辨率建筑计划”。他和他的同事在2018年10月11日的Cell杂志上报告了这一结果。他们正在制作Janelia 制造的显微镜和计算工具，并且所有成像数据都是免费和公开的。
Janelia发育生物学家和研究合着者凯特麦克道尔说，这些资源对于试图生长或再生器官的科学家来说至关重要，或者有朝一日能解决子宫内出现的发育问题。“要做到这一切，你首先需要了解器官是如何形成的，”她说。“你需要真正看到真正的胚胎发生了什么。”
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到目前为止，活体胚胎的最佳观点来自鱼类和苍蝇。十年前，Keller及其同事开发了斑马鱼的第一个“数字胚胎”，这是一种通常由科学家研究的透视条纹小鱼。
研究人员用光学显微镜扫描鱼胚胎，通过增量切片，通过样品照射超薄激光片。凯勒设计的计算机程序能够理解所有成像数据，结果为鱼类开发的前24小时提供了高分辨率的一瞥。
Keller和Janelia的同事们在2014 年的“ 自然方法 ”杂志上报道了数字果蝇胚胎。这些动物的形象相对简单，凯勒说 - 特别是斑马鱼。它们是透明的，对光不敏感，使它们成为“显微镜的简单目标”。
老鼠是一个不同的故事。让小鼠胚胎在实验室中保持活力 - 即使是短时间 - 需要一系列条件。胚胎必须保持无菌，一个; 他们需要淹没在一种营养汤中; 必须精确控制气体和温度水平。更重要的是，细胞对光非常敏感，组织可以是致密和不透明的，胚胎不能在显微镜下保持静止。相反，它仅仅固定在一个点上，因此它“像一个小气球一样漂移”，McDole说。
最后，在研究期间，研究人员想要观察，从受精后的六个半到八天半，胚胎的直径增长超过一个数量级 - 几乎达到3毫米，大约相当于芝麻的长度。种子。对于显微镜，胚胎是一个移动的目标，不断改变大小和位置。凯勒说，即使一个人在实验室里露营，每五分钟调整一次焦距两天，也无法捕捉到整个胚胎的清晰图像。
所以他的团队采取了不同的策略 - 他们设计了一台可以完成所有工作的显微镜。
更智能的范围
在Janelia研究人员的显微镜的中心，一个清晰的丙烯酸立方体容纳胚胎成像室。两张照片照亮胚胎，两个摄像头记录图像。这些组件让研究人员窥探曾经看不见的早期器官发育世界，以前所未见的高分辨率细节揭示动态事件。
当前肠形成时，团队可以看到“这不是这种缓慢温和的过程，”麦克道尔说。“整个事情只是陷入困境并形成了一个巨大的漏洞。” 神经管，后来形成大脑和脊髓的结构，像拉链一样编织在一起，伸展整个胚胎。
显微镜的大脑配备了一套跟踪胚胎位置和大小的算法。这些算法映射光片如何在样品中移动，然后找出如何获得最佳图像 - 保持胚胎聚焦并在视野中居中。
由于胚胎在不断变化，显微镜必须不断适应，在数百个不同的时间点，以毫秒为单位，数百张图像做出决定。“我不会说我们的显微镜比人类更聪明，”凯勒说，“但它能够完成人类操作员无法做到的事情。”
新工具
对于每个检查的胚胎，研究人员收集了近一百万张图像。然后，他们建立了一个计算工具包，用于拼凑每个胚胎细胞发育弧的图片。第一步是跟踪每个细胞超过48小时的成像数据。这依赖于团队最初为苍蝇和斑马鱼胚胎开发的改进的细胞追踪计划。该研究的共同作者，计算机科学家LéoGuignard说，结合研究小组创建的称为统计向量流的程序，研究人员可以向后工作，找出这个八天半胚胎中每个细胞的来源。 Janelia。他说，这就像绘制每个细胞命运和历史的地图。
凯勒说，如果没有这些计划，人类需要两到三年才能跟踪每一个细胞。
当胚胎转变为多层结构和早期器官发生时，一系列其他工具让团队充实了原肠胚的复杂性。Janelia的合作者Andrew Berger，Srinivas Turaga和Kristin Branson建立了一个细胞分裂探测器，可以自动记录哪个细胞分裂(以及何时何地)。Guignard开发了一个程序来创建一个虚拟的“平均”小鼠胚胎，通过在空间和时间将四个胚胎对齐在一起。(神秘博士粉丝会认出这个节目的名字，TARDIS，对虚构医生使用的时空机器的点头。)
新的显微镜是Keller团队在Janelia工作的八年中开发的第六个显微镜; 每个都带有新的和改进的软件工具。凯勒说，在许多情况下，示波器“能够实现基本上新型的成像实验” - 例如观察整个小鼠胚胎的发育。
他们的最新研究涉及生物学中的一个基本问题，凯勒说：“你如何从单个细胞进入胚胎?”
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