極客網(wǎng)·極客觀察10月23日 1959年,物理學(xué)家費曼(Richard Feynman)在加州理工學(xué)院(Caltech)發(fā)表演講,當(dāng)時他曾呼吁聽眾制造更強大的顯微鏡,這樣就能進一步探索“小得驚人的世界”。費曼還說,如果能夠看一看,回答基本生物問題將會容易很多。
幾年之后,科幻電影《神奇旅程》(Fantastic Voyage)上映,在電影中潛艇船員縮小,穿越人體修復(fù)大腦損傷。1966年的電影預(yù)告片宣稱,“本片將會帶你探索未知世界”,“將把觀眾送到?jīng)]有人到過、沒有相機看過的地方”。
現(xiàn)在科學(xué)家成功將中世紀物理學(xué)家、電影制片人的幻想與VR體驗融合。不久前,科學(xué)家在《自然醫(yī)學(xué)》發(fā)表論文,介紹一款新軟件,有了軟件科學(xué)家只需要戴上VR頭盔,就能探索細胞及其它生物結(jié)構(gòu)。
我們這里所說的細胞不是電腦生成的,而是活生生的,它是超高清顯微鏡捕捉的圖像。顯微鏡提供的數(shù)據(jù)是2D數(shù)據(jù),軟件將2D數(shù)據(jù)變成3D沉浸式體驗。研究人員親自觀察生物結(jié)構(gòu)之后,就能更好理解細胞內(nèi)部是如何“工作”的,這樣一來尋找治療方法就會更簡單一些。
劍橋大學(xué)生物化學(xué)家Steven Lee說:“我們正在嘗試用有趣的方法看一看內(nèi)部?!眲蜓芯咳藛T與3D圖像分析公司Lume VR合作,開發(fā)VR軟件。
布里斯托大學(xué)Polymaths Lab主管Hermes Bloomfield-Gadêlha說:“識別自然界的模式是科學(xué)的基石。這是一個了不起的突破,有了VR,我們可以觀察自然界的模式,與神秘而奇怪的分子宇宙世界親近?!?/p>
Steven Lee引導(dǎo)大家觀察大腦細胞——也就是神經(jīng)元。首先從鳥瞰神經(jīng)元開始。我們看到軸突,它是細長的管狀突起,能夠以電脈沖的形式將信息從一個腦細胞傳到另一個腦細胞。當(dāng)我們靠近時Lee說:“神經(jīng)元就是用你看到的細管交流的。思想、創(chuàng)意、感受都從管道中流過?!?br/>
當(dāng)我們湊近軸突,發(fā)現(xiàn)管狀結(jié)構(gòu)是由圓環(huán)狀血影蛋白(Spectrin)組成的。Lee說:“它們之間的空隙約為100納米,非常小。”
有趣的是血影蛋白環(huán)之外的分子。Lee問:“它們是穿過軸突,還是與軸突外壁連接在一起呢?”有了VR,你可以輕松回答這個問題。
軟件名叫vLUME,觀察時科學(xué)家可以調(diào)整視角。我們還觀察了四段軸突,它們飄浮在虛擬盒子內(nèi),我們可以將它們放大,并排顯示,好好比較。Lee說:“我們還可以做一些量化測試,看看它們有何區(qū)別?!蓖ㄟ^比較健康區(qū)域與病變區(qū)域,研究人員找到治療方法會更加容易。
隨后我們將畫面拉遠,觀看整個圖像:有軸突,有四個盒子,有分析,有手寫筆記。真是漂亮極了。有了這些,科學(xué)家既可以研究細胞結(jié)構(gòu),也可以向外界講解。
如果沒有超高清顯微鏡,我們不可能看到如此清晰的畫面。2014年,超分辨率顯微鏡技術(shù)曾拿到諾貝爾化學(xué)獎。這種光學(xué)顯微鏡技術(shù)繞開了衍射極限,所謂衍射極限就是一種物理極限,它將光學(xué)分辨率限制在大約250納米,之前人們認為衍射極限無法突破。
有了超分辨率顯微鏡技術(shù),研究人員可以用5-10納米的分辨率捕獲圖像。但是這種圖像一般是2D形式的,但我們的生命卻是3D的,科學(xué)家要從2D圖像中推導(dǎo)出3D信息。但事實證明,要在沉浸式環(huán)境中與3D數(shù)據(jù)互動是一件難事。
數(shù)以百萬計的點代表單個分子的3D位置,這些點組成圖像,vLUME用圖像進行渲染,變成“點云”,相當(dāng)于究竟中的數(shù)據(jù)點集合。通過vLUME,我們可以對點云進行探索、切斷??茖W(xué)家用算法分析復(fù)雜數(shù)據(jù)集,試圖從中找到生物架構(gòu)模式。
如果做學(xué)術(shù)研究,你可以免費使用vLUME,只要有VR頭盔就行??上к浖壳爸荒転g覽細胞靜態(tài)圖像,未來研究人員希望能對圖像進行升級,將它變成實時活細胞移動圖像,只是目前技術(shù)還存在限制,延遲時間太長(介于10分鐘至1小時)。
利用工具,研究人員試圖為復(fù)雜問題尋找答案,比如:免疫細胞是如何確定體內(nèi)哪些細胞已經(jīng)被病原體感染的,患病時蛋白質(zhì)又是如何錯誤折疊的。Lee說:“我們用直觀方式展示數(shù)據(jù),從而幫研究人員排隊假設(shè)?!?/p>
Bloomfield-Gadêlha則說,觀看也許只是開始,未來,我們可以將這種VR技術(shù)與其它學(xué)科結(jié)合,比如數(shù)學(xué)建模、模擬、機器人,這樣也許可以通過3D分子信息獲得某種預(yù)測能力,對分子宇宙有更深的理解。
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