可視化醫(yī)療技術 讓生物學研究“看得見”

　巧妙的可視化能改變生物學家對數(shù)據(jù)的理解?？紤]到可以對細胞中的每個RNA分子進行測序，或者在一天之內用顯微鏡圖像將一個硬盤驅動器填滿，生命科學家正在越來越多地尋求別出心裁的可視化方式，以理解其收集的大量原始數(shù)據(jù)。
　　　　
　今年3月，一些目前令生物學家激動不已的可視化方法在德國海德爾堡舉行的歐洲分子生物學實驗室會議上得以展示。此次名為“生物學數(shù)據(jù)可視化”的會議由澳大利亞悉尼加文醫(yī)學研究所生物信息學家SeánODonoghue共同組織。會議吸引了大批實驗室研究人員、計算機專家和設計師，并且是第7年舉辦。
　　
  《自然》雜志日前介紹了ODonoghue挑選出的一些有望變革生物學的可視化方法。
   細胞流線化
　生物信息學博士后NicoScherf利用激光片層掃描顯微技術發(fā)現(xiàn)，細胞在發(fā)育成斑馬魚胚胎時會改變路徑以形成不同胚層和器官。此項技術由Scherf在德國馬普學會分子細胞生物學和遺傳學研究所的導師發(fā)明。他介紹說，當追蹤每個單獨的斑馬魚細胞路徑時，“你最終得到的是一個由各條路徑形成的‘毛團’。”為了從這些“毛團”中領悟到什么，Scherf借鑒了一些用于分析大氣和海洋環(huán)流的流體動力學方法。“你只需要標繪出能提供細胞運動‘高速路’的主要流線。”
　為此，Scherf編寫了一些軟件分析圖像，并根據(jù)請求和其他人共享。迄今為止，他的方法表明，一個導致異常器官發(fā)育的突變僅在斑馬魚發(fā)育的極早期改變細胞的運動。Scherf認為，正在研究其他生物體發(fā)育的人們也能從這種方法中受益。
　抽象聯(lián)系
　　
　美國普林斯頓大學發(fā)育生物學家JasminImranAlsous從畢加索身上獲得了靈感。當時，她正在試圖理解果蠅卵室的顯微鏡圖像。卵室是一個魚雷狀的腔室，在受精卵經過4次不完全和非對稱的分裂時形成。
　　
　Alsous的導師給她發(fā)了一篇關于畢加索版畫的文章，其中對一頭公牛進行了越來越抽象的描繪。Alsous認為，同樣的原則可適用于對卵室的描繪。
　　
　她將卵室的熒光顯微鏡圖像轉變成一串清晰地展現(xiàn)每個細胞如何同其他細胞連接的數(shù)字。利用這種抽象方法，Alsous發(fā)現(xiàn)，在卵室的72種可能組合中，其中一些要相對常見得多。目前，她正在測試不同的組合是否會影響果蠅胚胎生長和發(fā)育的方式。
　細胞的更好模型
　ODonoghue介紹說，他對脂肪細胞如何響應胰島素進行了可視化的首次嘗試，最終獲得的是一個由十字交叉型分子路徑形成的“毛團”。一位同事曾研究了細胞中上百種不同蛋白質是如何在1個小時內被磷酸化（往往會激活蛋白質），從而對胰島素作出響應的。此時，細胞會停止燃燒脂肪以產生能量，并且開始合成糖以及儲存脂肪。
　為馴服這個“毛團”，ODonoghue從一張由19世紀法國土木工程師CharlesJosephMinard創(chuàng)建的著名圖表中獲得了靈感。該圖表描繪了拿破侖對俄羅斯發(fā)起的災難性入侵，并且將包括軍隊數(shù)量和地形在內的6類數(shù)據(jù)融合到二維空間中。ODonoghue繪制的圖表對使用胰島素治療的細胞進行了可視化。它看上去像一個時鐘，連續(xù)不斷的磷酸化事件繞著細胞呈順時針方向移動。圖表還描繪了細胞中的蛋白質位置以及它同其他分子作用因素的關系。
　ODonoghue表示，從可視化中獲得的一個主要見解是細胞如何對胰島素迅速作出響應。在這個過程中，很多變化會在最初15秒內發(fā)生。“這個圈子里的很多人都被這種突然性震驚了。”
　ODonoghue希望別人也能利用該方法描繪其他動態(tài)事件，比如細胞周期。同時，他已經創(chuàng)建了針對該做法的網上指南。不過，就目前來說，“你不得不做很多手工調整”。
　計算機視覺
　并非只有從細胞和分子水平研究生命的生物學家手頭有太多數(shù)據(jù)。根據(jù)估測，超過80%的地球生物體未被命名。很多尋找新生命形式的分類學家，無論是在熱帶雨林、海底，還是在地下室的植物標本館中，都會找到一些未被命名的生物體。
　澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織昆蟲學家、該國生物地圖集機構主任JohnLaSalle是正在利用被稱為計算機視覺的3D建模技術的一位科學家。該軟件最初是基于工廠機器人和火星探測器研發(fā)出來的。如今，它可以利用諸如甲蟲或恐龍骨頭等物體的數(shù)字攝影圖像創(chuàng)建數(shù)字模型。從這些3D模型中，計算機能自動測量被用于斷定某個生物體如何同其他物種以及同一物種的其他成員存在關聯(lián)的標本特性。
　LaSalle的團隊正利用計算機視覺更好地描繪澳大利亞生物多樣性的特征。其他人則利用該技術對植物標本館和自然歷史博物館的收藏品進行數(shù)字化。“如果我們的目標是改變在地球上發(fā)現(xiàn)生物多樣性的方式，就不得不嘗試創(chuàng)新。”LaSalle表示。