作者：海倫·申，來自自然雜誌
人類精子被捕捉到在進行復雜的舞蹈。一種新的三維成像技術揭示了螺旋運動，而這種運動之前只能從二維資料中推斷出來。
這項研究今天發表在《美國國家科學院院刊》上，描述了首次大規模、高解析度地記錄了人類精子的三維運動，追蹤了超過1500個細胞數小時。過去，人類精子很難進行如此詳細的觀察。它們的頭部只有3-4微米長，只能在高倍放大下看到，但細胞以每秒高達100微米的速度移動，瞬間躲避焦點或衝出範圍。
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“我們的目的是創造一些不受傳統光學限制的東西，”加州大學洛杉磯分校的生物工程師、該研究的負責人艾多根·奧茲坎說。“這是對完全隱藏的東西的第一次觀察。”
研究小組不是用傳統的顯微鏡鏡頭觀察狡猾的精子，而是用一個光感晶片——尺寸約為4×6毫米——放置在半透明樣本的下方。一個紅色發光二極體 (LED) 照射在精子上，在晶片上形成一個模糊的陰影，隨著每個細胞的水平移動而跟隨其頭部。第二個藍色 LED 從不同的角度照射精子，投射出隨每個精子頭部垂直位置而變化的陰影。以每秒約 90 幀的速度對大量細胞進行成像，使研究人員能夠比以往任何時候都更精確地描述精子的運動。
超過 90% 的精子沿著略微彎曲的路徑移動，頭部略微左右擺動。一小部分——4-5%——以近乎完美的螺旋形前進，形成半徑在 0.5 到 3 微米之間的螺旋（見下方影片）。大多數螺旋是右旋的，但奧茲坎表示，現在判斷這種偏好是否具有任何生理功能還為時過早。
紐約伊薩卡康奈爾大學的精子研究員蘇珊·蘇亞雷斯對游泳模式的意義感到好奇。她希望該方法可以用於研究精子在更廣泛的生理條件下的游泳情況，包括精子在前往卵子的途中遇到的 pH 值和液體條件。
基於晶片的成像有一天可能會為生育研究人員提供更便宜、更便攜的方式來觀察精子運動，取代分析顯微鏡影像的昂貴的計算機系統。但奧茲坎表示，他的技術——只能用於半透明材料——也可以用於研究細菌和其他游泳微生物。
照亮可能性
北卡羅來納州達勒姆杜克大學的杜克成像和光譜學專案負責人大衛·布雷迪表示，精子成像是“一個很好的應用演示”，在不斷發展的無透鏡成像領域。他說，過去 5-10 年出現了更小、更強大的技術，但尚未進入主流實驗生物學領域。作者提出了一個“讓人們議論紛紛”的應用程式。
一些精子生物學家認為，該技術還可以開闢新的研究途徑。“我一直在尋找觀察精子——運動精子——的方法，這似乎是一個好方法，”馬薩諸塞州波士頓兒童醫院的大衛·克拉普漢姆說。“它的優點在於它如此快速地對如此多的細胞同時進行。”然而，克拉普漢姆說，該方法僅跟蹤精子頭部，因此無法捕捉對理解精子功能和功能障礙至關重要的複雜尾部運動。
奧茲坎說，細長的尾部（橫截面可能小於半微米）將需要改進成像技術。但是，他說，“這絕對是可能的”。