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VR又有了新用处:科学家用它观察大脑细胞
时间:2020-10-23 19:37:32   编辑: 微影中国网

 极客网·极客观察10月23日 1959年,物理学家费曼(Richard Feynman)在加州理工学院(Caltech)发表演讲,当时他曾呼吁听众制造更强大的显微镜,这样就能进一步探索“小得惊人的世界”。费曼还说,如果能够看一看,回答基本生物问题将会容易很多。

几年之后,科幻电影《神奇旅程》(Fantastic Voyage)上映,在电影中潜艇船员缩小,穿越人体修复大脑损伤。1966年的电影预告片宣称,“本片将会带你探索未知世界”,“将把观众送到没有人到过、没有相机看过的地方”。

现在科学家成功将中世纪物理学家、电影制片人的幻想与VR体验融合。不久前,科学家在《自然医学》发表论文,介绍一款新软件,有了软件科学家只需要戴上VR头盔,就能探索细胞及其它生物结构。

我们这里所说的细胞不是电脑生成的,而是活生生的,它是超高清显微镜捕捉的图像。显微镜提供的数据是2D数据,软件将2D数据变成3D沉浸式体验。研究人员亲自观察生物结构之后,就能更好理解细胞内部是如何“工作”的,这样一来寻找治疗方法就会更简单一些。

剑桥大学生物化学家Steven Lee说:“我们正在尝试用有趣的方法看一看内部。”剑桥研究人员与3D图像分析公司Lume VR合作,开发VR软件。

布里斯托大学Polymaths Lab主管Hermes Bloomfield-Gadêlha说:“识别自然界的模式是科学的基石。这是一个了不起的突破,有了VR,我们可以观察自然界的模式,与神秘而奇怪的分子宇宙世界亲近。”

Steven Lee引导大家观察大脑细胞——也就是神经元。首先从鸟瞰神经元开始。我们看到轴突,它是细长的管状突起,能够以电脉冲的形式将信息从一个脑细胞传到另一个脑细胞。当我们靠近时Lee说:“神经元就是用你看到的细管交流的。思想、创意、感受都从管道中流过。”

当我们凑近轴突,发现管状结构是由圆环状血影蛋白(Spectrin)组成的。Lee说:“它们之间的空隙约为100纳米,非常小。”

有趣的是血影蛋白环之外的分子。Lee问:“它们是穿过轴突,还是与轴突外壁连接在一起呢?”有了VR,你可以轻松回答这个问题。

软件名叫vLUME,观察时科学家可以调整视角。我们还观察了四段轴突,它们飘浮在虚拟盒子内,我们可以将它们放大,并排显示,好好比较。Lee说:“我们还可以做一些量化测试,看看它们有何区别。”通过比较健康区域与病变区域,研究人员找到治疗方法会更加容易。

随后我们将画面拉远,观看整个图像:有轴突,有四个盒子,有分析,有手写笔记。真是漂亮极了。有了这些,科学家既可以研究细胞结构,也可以向外界讲解。

如果没有超高清显微镜,我们不可能看到如此清晰的画面。2014年,超分辨率显微镜技术曾拿到诺贝尔化学奖。这种光学显微镜技术绕开了衍射极限,所谓衍射极限就是一种物理极限,它将光学分辨率限制在大约250纳米,之前人们认为衍射极限无法突破。

有了超分辨率显微镜技术,研究人员可以用5-10纳米的分辨率捕获图像。但是这种图像一般是2D形式的,但我们的生命却是3D的,科学家要从2D图像中推导出3D信息。但事实证明,要在沉浸式环境中与3D数据互动是一件难事。

数以百万计的点代表单个分子的3D位置,这些点组成图像,vLUME用图像进行渲染,变成“点云”,相当于究竟中的数据点集合。通过vLUME,我们可以对点云进行探索、切断。科学家用算法分析复杂数据集,试图从中找到生物架构模式。

如果做学术研究,你可以免费使用vLUME,只要有VR头盔就行。可惜软件目前只能浏览细胞静态图像,未来研究人员希望能对图像进行升级,将它变成实时活细胞移动图像,只是目前技术还存在限制,延迟时间太长(介于10分钟至1小时)。

利用工具,研究人员试图为复杂问题寻找答案,比如:免疫细胞是如何确定体内哪些细胞已经被病原体感染的,患病时蛋白质又是如何错误折叠的。Lee说:“我们用直观方式展示数据,从而帮研究人员排队假设。”

Bloomfield-Gadêlha则说,观看也许只是开始,未来,我们可以将这种VR技术与其它学科结合,比如数学建模、模拟、机器人,这样也许可以通过3D分子信息获得某种预测能力,对分子宇宙有更深的理解。

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