一个崭新的显微镜技术为全人类提供了哺乳动物生命伊始活生生的影像资料。

研究人员首次窥视活体小鼠胚胎内部，观察肠道开始形成，心脏细胞开始试探性地跳动，在48小时关键窗口期，原始器官开始形成，科学家甚至可以跟踪每个胚胎细胞，精确地指出细胞去向、它们开启了哪些基因，以及沿途遇到了哪些细胞。

“这项工作实际上是构建整只老鼠细胞分辨率文库的一部分，”Howard Hughes 医学研究所的物理学家和生物学家Philipp Keller说。10月11日，他们在《Cell》发表了这项研究成果，这款新型显微镜和计算机工具现位于Janelia研究校区，所有成像数据免费公开。

文章合著者Kate McDole说，这些资源对研究发育和器官，或有朝一日解决子宫发育疾病来说至关重要，要做到这些，你得先了解器官是如何形成的，我们要看看真正的胚胎发育会发生什么。

透视

直到现在，最佳的活胚胎观测来自鱼类和苍蝇。十年前，Keller和同事们开发了第一个斑马鱼“数字胚胎”，研究人员用光片显微镜（light sheet microscope）和超薄片激光逐段照射鱼胚胎样品，Keller设计了与之匹配的计算机程序，展示了鱼类成型最初24小时的高分辨率影像资料。

老鼠是另外一回事。在实验室，小鼠胚胎只能存活很短时间，况且一系列条件非常苛刻：首先，胚胎必须保持无菌；细胞需要浸泡在一种营养汤中；气体和温度必须精确控制。此外，细胞对光非常敏感，再加上组织致密、不透明，而且在显微镜下无法保持静止（像小气球一样四处飘荡）。在这段时间，研究人员若想试图观察受精后6个半到8小时乃至半天（胚胎生长超过一个数量级，直径扩大约3毫米，相当于一颗芝麻粒的长度），换句话说，这是一个移动的、不断改变大小和位置的显微观测目标，研究人员不得不每隔五分钟调整一次聚焦范围，否则就无法捕捉到整个胚胎的清晰图像。

更聪明的显微镜

在Janelia研究所的显微中心，一幢透明的丙烯酸立方体罩在胚胎成像室外，两个光片照量胚胎，两台相机记录图像。这些设备让研究人员以前所未见的高分辨率窥视哺乳动物胚胎早期器官发育世界。

“前肠形成时，胚胎发育可不是一串缓慢的过程，”McDole说。“整个过程都在凿洞，然后创造一个大洞，然后神经管这个结构随后形成大脑和脊髓，像拉起一个拉链一样，伸展在胚胎上。”

显微镜的“大脑”是一套追踪胚胎位置和大小的算法。这些算法绘制出光片在样本中移动的方式，然后找出如何获得最漂亮的图像（保持胚胎处于视线焦点和中心）的角度。

因为胚胎是不断变化的，显微镜必须不断地适应，在毫秒之间做出决策，在数百个时间点，拍摄上百幅照片。“我不会说我们的显微镜比人聪明，”Keller说。“但是，它可以胜任人类操作者无法挑战的任务。”

对每个胚胎来说，研究人员收集了近100万幅图像，然后他们建立了一个计算工具包，将每个胚胎细胞发育弧拼接在一起。第一步是连续48小时跟踪每个细胞图像数据，这依赖于一个改进的细胞追踪计划，结合研究小组创建的统计向量流程序，研究人员甚至可以反向工作，找到8至半天大的胚胎中每个细胞来自哪里。计算机科学家Léo Guignard说，这就像绘制出了每个细胞命运和历史的地图。

Keller说，如果没有这些程序，人类需要花费2到3年时间来追踪每一个细胞。

当胚胎转变成多层结构以及早期器官形成时，一系列小工具帮助研究小组充实了原肠胚形成的复杂性。Andrew Berger、Srinivas Turaga和Kristin Branson等人构建了一个细胞分裂检测器，自动记录细胞分裂的时间和地点。Guignard开发了一个程序（TARDIS），通过将四个胚胎在时间和空间上对准创建了一个虚拟“平均”小鼠胚胎。（备注：TARDIS也是英国科幻电视剧Doctor Who中的时间机器和宇宙飞船的名字）

新显微镜是八年中Keller课题组开发的第六台显微镜，在此之前的每台显微镜都有新改进和更新软件工具。

这个最新版本的智能显微镜使科研人员触及生物学中最基本的问题：你怎么从单细胞变成胚胎的？