可視化醫(yī)療技術(shù) 讓生物學(xué)研究“看得見”

　巧妙的可視化能改變生物學(xué)家對數(shù)據(jù)的理解。考慮到可以對細(xì)胞中的每個RNA分子進(jìn)行測序，或者在一天之內(nèi)用顯微鏡圖像將一個硬盤驅(qū)動器填滿，生命科學(xué)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(xué)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(xué)實驗室會議上得以展示。此次名為“生物學(xué)數(shù)據(jù)可視化”的會議由澳大利亞悉尼加文醫(yī)學(xué)研究所生物信息學(xué)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(shè)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(xué)的可視化方法。
   細(xì)胞流線化
　生物信息學(xué)博士后NicoScherf利用激光片層掃描顯微技術(shù)發(fā)現(xiàn)，細(xì)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(shù)由Scherf在德國馬普學(xué)會分子細(xì)胞生物學(xué)和遺傳學(xué)研究所的導(dǎo)師發(fā)明。他介紹說，當(dāng)追蹤每個單獨的斑馬魚細(xì)胞路徑時，“你最終得到的是一個由各條路徑形成的‘毛團(tuán)’。”為了從這些“毛團(tuán)”中領(lǐng)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(xué)方法。“你只需要標(biāo)繪出能提供細(xì)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(dǎo)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(xì)胞的運動。Scherf認(rèn)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(xué)發(fā)育生物學(xué)家JasminImranAlsous從畢加索身上獲得了靈感。當(dāng)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(jīng)過4次不完全和非對稱的分裂時形成。
　　
　Alsous的導(dǎo)師給她發(fā)了一篇關(guān)于畢加索版畫的文章，其中對一頭公牛進(jìn)行了越來越抽象的描繪。Alsous認(rèn)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(zhuǎn)變成一串清晰地展現(xiàn)每個細(xì)胞如何同其他細(xì)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(xì)胞的更好模型
　ODonoghue介紹說，他對脂肪細(xì)胞如何響應(yīng)胰島素進(jìn)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(tuán)”。一位同事曾研究了細(xì)胞中上百種不同蛋白質(zhì)是如何在1個小時內(nèi)被磷酸化（往往會激活蛋白質(zhì)），從而對胰島素作出響應(yīng)的。此時，細(xì)胞會停止燃燒脂肪以產(chǎn)生能量，并且開始合成糖以及儲存脂肪。
　為馴服這個“毛團(tuán)”，ODonoghue從一張由19世紀(jì)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(zāi)難性入侵，并且將包括軍隊數(shù)量和地形在內(nèi)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(xì)胞進(jìn)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(xì)胞呈順時針方向移動。圖表還描繪了細(xì)胞中的蛋白質(zhì)位置以及它同其他分子作用因素的關(guān)系。
　ODonoghue表示，從可視化中獲得的一個主要見解是細(xì)胞如何對胰島素迅速作出響應(yīng)。在這個過程中，很多變化會在最初15秒內(nèi)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(xì)胞周期。同時，他已經(jīng)創(chuàng)建了針對該做法的網(wǎng)上指南。不過，就目前來說，“你不得不做很多手工調(diào)整”。
　計算機視覺
　并非只有從細(xì)胞和分子水平研究生命的生物學(xué)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(xué)家，無論是在熱帶雨林、海底，還是在地下室的植物標(biāo)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(xué)與工業(yè)研究組織昆蟲學(xué)家、該國生物地圖集機構(gòu)主任JohnLaSalle是正在利用被稱為計算機視覺的3D建模技術(shù)的一位科學(xué)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?jǐn)z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(guān)聯(lián)的標(biāo)本特性。
　LaSalle的團(tuán)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(shù)對植物標(biāo)本館和自然歷史博物館的收藏品進(jìn)行數(shù)字化。“如果我們的目標(biāo)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。