1959年，物理學(xué)家Richard Feynman在加州理工學(xué)院的“Plenty of Room at the Bottom”的演講中，敦促聽眾將顯微鏡變得更加強(qiáng)大，以便生物學(xué)家能夠探索更遠(yuǎn)的“驚人的小世界”。他說，如果我們能“看見那些東西”，回答基本的生物學(xué)問題就會(huì)變得容易得多。

幾年后，在科幻電影Fantastic Voyage（《奇異的旅程》）中，一名潛艇船員縮小到微觀尺寸，開始了一項(xiàng)通過人體修復(fù)腦部損傷的任務(wù)。1966年的電影預(yù)告片中說，這部電影將 “把你所認(rèn)識(shí)和理解的世界徹底顛覆”，把觀眾送到了 “前無古人、后無來者的地方”。

現(xiàn)在，科學(xué)家們將這位本世紀(jì)中葉的物理學(xué)家和電影制作人的觀點(diǎn)結(jié)合在一起，形成了一個(gè)令人耳目一新的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。在近日發(fā)表在Nature Medicine上的一篇論文中，研究人員描述了一種新的軟件，可以讓科學(xué)家使用虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）耳機(jī)進(jìn)入人體內(nèi)部，探索細(xì)胞或其他生物結(jié)構(gòu)。

這不是電腦生成的。這些圖像來自使用超分辨率顯微鏡的活細(xì)胞。然后，該軟件將顯微鏡下的二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維沉浸式可視化。這種對(duì)生物結(jié)構(gòu)的全新的、近乎個(gè)人化的觀察可能會(huì)讓研究人員更好地了解細(xì)胞的內(nèi)部工作原理，并尋找致病原因。

這篇論文的作者之一、劍橋大學(xué)的生物物理化學(xué)家Steven Lee說：“我們正試圖找到有趣的方法來‘看見這些東西’。”Lee 和他在劍橋的同事們通過與 3D 圖像分析公司 Lume VR 合作創(chuàng)建了這款軟件。

布里斯托爾大學(xué)（University of Bristol）多元數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Hermes Bloomfield-Gadêlha表示：“認(rèn)識(shí)自然界的模式是科學(xué)的基本基石。這是一項(xiàng)令人興奮的新進(jìn)展，它將使我們看到隱藏和奇怪的分子宇宙的模式和結(jié)構(gòu)相互作用。”

Lee慷慨地抽出時(shí)間帶領(lǐng)我（作者，以下簡(jiǎn)稱我）參觀了一個(gè)腦細(xì)胞，或者說神經(jīng)元。我們從神經(jīng)元的鳥瞰圖開始。它的軸突，即細(xì)長(zhǎng)的管狀突起，以電脈沖的形式將信息從一個(gè)腦細(xì)胞傳遞到另一個(gè)腦細(xì)胞。當(dāng)我們放大看時(shí)， Lee 說：“你看到的這些小管子是你的神經(jīng)元溝通的基石，思想、主意和感情就在這些管子中間流淌。”

我們靠近觀察了軸突，發(fā)現(xiàn)這些管狀結(jié)構(gòu)是由一系列稱為光譜蛋白的環(huán)形成的。“這些環(huán)之間的空間是 100 納米規(guī)模的。所以它非常小，你知道的 —— 千億分之一米。”他講述道。

令人感興趣的是懸掛在光譜環(huán)支架外的分子。“它們是漂浮在軸突中，還是與軸突的壁有關(guān)？”他反問道。我們現(xiàn)在可以嘗試回答這些問題，“而這個(gè)問題用別的研究方法來解答都將會(huì)是十分困難的，“Lee 說。

這款名為 vLUME 的軟件允許科學(xué)家們切割并操縱感興趣的子區(qū)域的視圖。就像從一根螺旋吸管往桶里面看一樣，我們看到了一個(gè)末端被打開的軸突的切割部分。(這真是一種令人難以置信的體驗(yàn)。畢竟我們正在觀察允許我們思考該結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。）

我們觀察了軸突的四個(gè)部分，這些部分漂浮在虛擬的盒子里，然后放大看到它們并排出現(xiàn)。Lee說：“我們可以做一些定量的測(cè)量，看看它們有什么不同。”觀察一個(gè)健康區(qū)域和一個(gè)患病區(qū)域在結(jié)構(gòu)上的差異可以幫助研究人員了解疾病的起因。

我們進(jìn)一步觀察了研究結(jié)果——軸突、四個(gè)虛擬框，一些分析，還有一些手寫的筆記。它很美，我們不光可以看到科學(xué)家如何利用它來研究一個(gè)結(jié)構(gòu)，還了解到科學(xué)家是如何向世界解釋這些結(jié)構(gòu)的。

如果沒有超分辨率顯微鏡，這項(xiàng)技術(shù)是不可能實(shí)現(xiàn)的，該顯微鏡在 2014 年獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。這種光學(xué)顯微鏡技術(shù)繞過了衍射極限——一種將光學(xué)分辨率限制在大約250 納米的物理屏障，以前人們認(rèn)為它是不可逾越的。

超分辨率顯微鏡使研究人員能夠以大約5到10納米的分辨率成像生物結(jié)構(gòu)。但圖像通常是二維的。由于生命是在三維空間中發(fā)生的，科學(xué)家們一直在研究如何從這些二維圖像中推斷出三維信息。但事實(shí)證明，以一種沉浸式和原生的方式與 3D 數(shù)據(jù)進(jìn)行交互是很困難的。

vLUME 軟件使用由數(shù)百萬個(gè)單獨(dú)的點(diǎn)組成的超分辨率圖像的數(shù)據(jù)，這些點(diǎn)又稱為螢光團(tuán)，代表了單個(gè)分子的 3D 位置。vLUME 先將這些信息渲染為點(diǎn)云，或空間中的一組數(shù)據(jù)點(diǎn)。接著對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行探索和分割。然后，該軟件使用聚類算法對(duì)復(fù)雜的數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析，以找到生物結(jié)構(gòu)的模式。

該軟件將免費(fèi)供學(xué)術(shù)使用，用戶只需要有VR頭盔。該軟件目前的迭代只能帶領(lǐng)研究人員瀏覽一張細(xì)胞的靜態(tài)圖片。Lee 和他的同事們希望在未來將其升級(jí)為實(shí)時(shí)的、移動(dòng)的活細(xì)胞圖像，但目前，成像的滯后時(shí)間從十分鐘到一個(gè)小時(shí)?不等。

研究人員已經(jīng)在使用該工具來了解免疫細(xì)胞如何確定體內(nèi)哪些細(xì)胞已被病原體感染，以及蛋白質(zhì)如何在疾病中錯(cuò)誤折疊。"它讓我們能夠以一種直觀的方式向人們展示數(shù)據(jù)，從而非常迅速地排除錯(cuò)誤假說，" Lee 說。

但‘看見這些東西‘的能力可能只是一個(gè)開始。Bloomfield-Gadêlha 說：“未來與數(shù)學(xué)建模和模擬，甚至機(jī)器人等多學(xué)科的互動(dòng)，可以賦予我們預(yù)測(cè)這些3D分子世界的能力，以及我們對(duì)自然界分子多元宇宙的深層次理解。"

原文標(biāo)題：科學(xué)家在人體細(xì)胞中虛擬漫步？這款VR設(shè)備幫助科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了

文章出處：【微信公眾號(hào)：IEEE電氣電子工程師學(xué)會(huì)】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

責(zé)任編輯：haq