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显微成像技术篇-暗场显微成像

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2013-01-04
应用实例

    显微技术的发展,让科学家可以更容易深入微观世界。但在普通显微镜下,细胞的模样千篇一律,很难区分。为此,科学家发明了多种方法:利用基因工程技术改造细胞,用染料给细胞染色……最终,呈现在显微镜视野里的,不再是单调的细胞,而是五彩斑斓的美丽景象。

  不论我们喜不喜欢眼前的物体,眼睛永远用同一种方式采集信息:视网膜上的细胞捕捉光子,将其中的信息传递给大脑,再由大脑还原为画面。如果物体太小,反射的光子过少,肉眼就无法看清它的结构。这时,我们需要借助显微技术进行观察。本文展示的图片,不仅具有重要的学术价值,更有强烈的艺术美感。这些图片代表了生物研究中最先进的光学显微技术。

  目前,光学显微技术正在经历一场前所未有的变革。科学家使用新型荧光标记物和最新基因工程技术对组织样本进行改造,让显微镜中的组织样本变得五彩斑斓,打开了通往“发现”的大门。是研究人员采用一种全新技术——“脑虹”技术拍摄的。通过这种技术,小鼠脑部的各个神经元呈现出各种色彩,清晰可辨,让我们可以在错综复杂的神经网络中跟踪分析特定轴突,也可以绘制完整的神经网络图谱——对于老式成像技术来说,这是不可能完成的任务。

  显微镜的精度也在提高。我们可以在某个特殊蛋白质上做标记,然后利用显微镜跟踪观察它在组织里的活动路线;细胞分裂、分化过程中的每个细节,同样可以一览无余。研究人员能在强光下快速抓拍,捕捉细胞或组织内的瞬时事件,也能在弱光下观察细胞内的精细生命过程。随着显微技术的创新发展,图像采集速度与分辨率之间的矛盾将逐步得到解决。

  目前,一些显微技术甚至能观察最细微的生物结构(同时处理大量观察数据),这些技术的广泛应用,为我们了解生命的本质奠定了坚实的基础。

 

大脑
复杂的大脑

复杂的大脑
  复杂的大脑:美国加利福尼亚大学圣迭戈分校的托马斯·迪林克(Thomas Deerinck)利用双光子显微技术(2-photon microscopy),拍摄到了一块仅有400μm厚的小鼠小脑组织样本的精细显微结构(见上图),其中绿色的是浦肯野神经细胞(Purkinje neuron),红色的是神经胶质细胞(glial cell),蓝色的则是神经核。美国哈佛大学的吉恩·里维特(Jean Livet)使用共焦显微技术(confocal microscopy),拍摄了一只基因工程小鼠的脑干组织切片(厚340μm)。由于经过基因改造,小鼠的每个神经细胞都呈现出不同的颜色(见下图)。给神经元赋予不同的颜色(即“脑虹”技术,Brainbow),科学家就能观察到单个轴突在复杂的脑神经网络中的走向。

 


小鼠内耳毛细胞
 

小鼠内耳的组织结构图
  因为所在空间狭小且不易分离,内耳结构极难观察。美国北卡罗来纳大学惠明顿分校的索尼娅·派奥特(Sonja Pyott)拍摄到了小鼠内耳毛细胞(上图最左边),这些细胞可将机械声波转换成电脉冲信号。图中,毛细胞为绿色,与毛细胞有突触联系的细胞为红色,蓝色的则是细胞核(共焦显微技术)。美国华盛顿大学的格伦·麦克唐纳德(Glen MacDonald)采用相似的染色方法,拍摄到一只小鼠内耳的组织结构图(共焦显微技术)。

小鼠舌头肌肉的横截面

果蝇肌肉纤维
  肌细胞构成了坚韧的肌肉组织。上图所展示的,正是小鼠舌头肌肉的横截面,由美国加利福尼亚大学圣迭戈分校的托马斯·迪林克(Thomas Deerinck)拍摄。下图则出自德国明斯特大学的赫尔曼·阿伯利(Hermann Aberle)之手,显示了被显微镜放大的果蝇肌肉纤维。由于基因变异,果蝇的肌肉纤维看上去杂乱无章(共焦显微技术)。

小鱼的鱼鳍骨
 

山羊骨放大了4倍

  鱼鳍与山羊骨:两张图片所展示的,都是构成脊椎动物身体结构的致密组织。以色列拉马特甘市的沙穆埃尔·西尔贝曼(Shamuel Silberman)把一条小鱼的鱼鳍骨放大了100倍,于是就有了上边这幅斑驳的秋景(采用光纤照明技术)。为了观察骨形成期骨密度的变化以及矿物质含量的增加程度,美国佛罗里达州坦帕市莫菲特癌症中心的马克·劳埃德(Mark Lloyd)和诺埃尔·克拉克(Noel Clark)把山羊骨放大了4倍(见下图,广野显微技术)。

成纤维细胞的微管
 

染色体(蓝色)周围正在形成的微管
  上图是哥伦比亚大学的简·施莫兰泽(Jan Sch-moranzer),在经过血清饥饿处理的成纤维细胞的受创细胞膜上,拍摄到的微管结构图(绿色)。从图上看来,成纤维细胞的微管已经表现出异常行为。微管的直径约20nm,通常情况下,当细胞膜上有裂口时,微管会向裂口处聚集,但图中反映的情况却不是这样。在细胞分裂间期,杜克大学的U·塞尔达尔·图卢(U. Serdar Tulu)在138μm宽的视野中,拍摄到了染色体(蓝色)周围正在形成的微管(黄色,下图)。
  文中的这些图片,不禁让我想起著名物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)在《发现的乐趣》中讲的一个故事。费曼的一位朋友曾认为,科学家对花的美感的认识不及艺术家深刻,还会把美丽的鲜花拆得七零八落,最终变成毫无趣味的东西。费曼却不认同这位朋友的观点,他说:“我觉得他真的有点可笑。首先,他看到的美和我以及别人看到的又有多大不同呢?我相信,即使我没有像他一样受到过审美训练,也能欣赏一朵花的美丽……让我们想象一下花里的细胞吧,它那错综复杂的运动方式不是一种美么?我的意思是,花的美丽并不仅仅停留在宏观形态上,在微观世界里,它的内在结构同样令人着迷。而且,鲜花为了得到昆虫的眷顾而争相斗艳,这本身就是很有意思的事情——从侧面说明昆虫也能够区分色彩。看到鲜花的美丽,我很想弄清楚一个问题:低级动物也懂得欣赏花的美丽么?它们为什么会有审美能力呢?这些有趣的问题证明,科学知识只会让花变得更加神秘,更令人兴奋,更让人敬畏。”

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