藉助一種革命性的新型顯微鏡，科學家現在可以窺視胚胎，並在世界上最小的 3D 電影之一中觀看大腦、眼睛和其他器官的形成。德國海德堡的歐洲分子生物學實驗室 (EMBL) 的一個團隊，在顯微鏡下觀察斑馬魚和果蠅胚胎髮育長達 58 小時，記錄每個細胞在胚胎周圍舞動的位置。這項實驗在僅僅兩年前是無法實現的，當時一系列創新將顯微鏡技術向前推進了數年。
當談到觀察細胞的內部運作時，熒光顯微鏡技術是首屈一指的。在這項技術中，科學家將熒光標籤附著到細胞蛋白質上，並透過向細胞照射雷射，使它們發光。
但是，將細胞置於標準熒光顯微鏡下，實際上是判處它們死刑。由於顯微鏡強大的雷射束的損害，許多細胞在幾個小時過去之前就已死亡，因此很難觀察任何延長的過程。此外，處於壓力下的細胞的行為通常與正常細胞不同，這對於試圖在他們的實驗與自然世界之間建立聯絡的科學家來說是一個巨大的障礙。
關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
EMBL 的團隊由Ernst Stelzer領導，他們正在努力研究更接近自然的條件下細胞、組織甚至小型多細胞生物，從而實現更長的觀察時間和更少摻假的結果。他們的技術——被稱為光片顯微鏡——已經產生了令人著迷的突破，使他們能夠比以往任何時候都更長更清晰地觀察活體樣本。
研究人員首先將顯微鏡側放——字面意義上。在傳統的熒光顯微鏡中，整個樣本通常從上方被雷射照射。類似相機的探測器聚焦於穿過樣本的連續平面，從上到下拍攝照片，這些照片可以堆疊成 3D 圖片。但在整個過程中，雷射的全部力量會衝擊甚至那些光線不在探測器焦點上的細胞。EMBL 團隊意識到，如果他們將雷射旋轉 90 度，使其從側面而不是從上方照射樣本，他們就可以僅照亮相機正在聚焦的單個切片。沒有其他細胞受到照射。
突然間，科學家們可以製作持續數天的電影。在顯微鏡下的細胞，僅受到傳統熒光顯微鏡能量的五千分之一的照射，繼續分裂。EMBL 團隊拍攝了一部創紀錄的 24 小時長的斑馬魚胚胎髮育電影。當其中一位成員在會議上展示資料時，他受到了搖滾明星般的歡迎。
但這僅僅是開始——新的裝置使 Stelzer 的團隊能夠使用速度更快的相機，每秒記錄約 6000 萬畫素。好處成倍增加：由於相機非常靈敏，它可以吸收每張照片中更多的光線，從而提供更多的資料。
對於科學家來說，這就像從斷斷續續的兩分鐘 YouTube 短片升級到平板電視上的故事片。
最新的突破於 7 月 30 日發表在自然方法雜誌上，如果可以的話，它將電視連線到高畫質有線電視。（大眾科學是自然出版集團的一部分。）許多生物樣本，如果蠅胚胎，是不透明的，以至於它們會散射大量光子，使圖片充滿靜態干擾。但是現在，透過使用一種稱為結構化照明的技術，EMBL 團隊已成功消除這種干擾，使光片顯微鏡更加強大。
Philipp Keller 是該論文的主要作者，自完成這項研究以來已加入霍華德·休斯醫學研究所，他將這個過程比作重建透過暴風雪看到的景觀。“所有的雪花都在穿過你的視野，所以景觀的一部分被它們遮擋了。但是，如果你記錄該景觀的多個影像，那麼雪花就會移開，你可以看到它們後面的東西。透過記錄足夠的影像，你可以將它們組合成景觀的完整重建。”
對於研究發育的生物學家來說，光片顯微鏡，尤其是使用結構化照明的光片顯微鏡，是天賜之物。
蘇格蘭鄧迪大學的Kees Weijer，研究雞胚胎和粘菌中細胞的遷移，自從 EMBL 小組首次公佈其進展以來，一直在等待光片顯微鏡。在使用了多年的其他技術之後，他很高興最終能擁有 Stelzer 實驗室為他製造的顯微鏡。
“光片顯微鏡是一項重大改進，”他說。“影像質量簡直好太多了。”
佛羅里達州立大學的 Michael Davidson 說：“這真的，真的很具有突破性，”他的專案開發了顯微鏡網站分子表達、尼康的 MicroscopyU 等。但 Davidson 認為，結構化照明的加入將成為真正的遊戲規則改變者。“在未來三四年內，那東西將會像火箭一樣起飛。這是漫長道路上的第一步。”
在等待商業版本上市期間——該技術已授權給德國的卡爾蔡司光學公司——生物學家必須自己組裝每臺光片顯微鏡。在 9 月 2 日和 3 日在都柏林舉行的一次會議上，對該技術感興趣的研究人員計劃會面，交流技巧、分享想法並討論未來。
Keller 強調，儘管 EMBL 小組取得了成功，但光片顯微鏡的用途遠不止於胚胎成像。他說，憑藉更長的觀察時間、更快的影像和更清晰的圖片，許多生物學領域都有可能取得重大進展。“這不是為特定目的而開發的技術。它可以遠遠超出這一點，”他說。“討論是如何改進顯微鏡技術，這就是結果。”