在這個(gè)信息時(shí)代，我們希望知識(shí)觸手可及。如果我們想了解某人的第一印象，我們中的許多人會(huì)直接進(jìn)入他們的社交媒體頁(yè)面。如果我們想理解一個(gè)新主題，我們不用買教科書（大多數(shù)基礎(chǔ)知識(shí)都在維基百科上等著我們）。如果我們想探索一個(gè)新城市，我們可以通過(guò)在谷歌地球上四處走動(dòng)來(lái)做很多事情。曾經(jīng)昂貴或獨(dú)家的信息現(xiàn)在對(duì)所有人都是免費(fèi)的。

但是醫(yī)學(xué)圖像呢？假設(shè)你想探索真正的人類心臟是什么樣子的，從整個(gè)器官到最小的血管。目前，對(duì)我們大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，這是不可能的。誠(chéng)然，心臟外科醫(yī)生可以獲得患者心臟的放射圖像，并訂購(gòu)特定體積的活檢。但即便如此，醫(yī)生也很容易對(duì)單個(gè)成像方法的局限性感到沮喪。

臨床計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）使用X射線逐片構(gòu)建3D圖像，僅限于毫米分辨率。磁共振成像（MRI）也是如此，它使用磁場(chǎng)和無(wú)線電波在體內(nèi)對(duì)等。與此同時(shí)，活檢的顯微鏡通常僅限于毫米大小的體積。無(wú)論你是否是專家，看到微米或近微米分辨率的器官或整個(gè)人體的夢(mèng)想都是不可能的。

在過(guò)去的兩年里，歐洲數(shù)十名科學(xué)家一直在忙于匯編有史以來(lái)最詳細(xì)的真實(shí)器官的3D視圖。就像谷歌地球一樣，該團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目眾所周知，人體器官圖集既簡(jiǎn)單又令人驚訝。其目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)可免費(fèi)訪問(wèn)的高度“縮放”人體器官的在線圖像庫(kù)，揭示從其最大特征（厘米和米的規(guī)模）到微觀結(jié)構(gòu)的一切。

該項(xiàng)目已經(jīng)創(chuàng)建了肺部、大腦、心臟、腎臟、脾臟和肝臟的3D圖像（見human-organ-atlas.esrf.eu）。到2025年，人體器官圖集團(tuán)隊(duì)希望成像整個(gè)人類軀干，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，成像整個(gè)人體。這項(xiàng)工作對(duì)科學(xué)家和非科學(xué)家來(lái)說(shuō)都令人印象深刻，以至于該項(xiàng)目正在由英國(guó)、歐盟和美國(guó)的一些知名融資機(jī)構(gòu)提供資金。甚至谷歌也產(chǎn)生了興趣。

一位一直在該項(xiàng)目上合作的科學(xué)家是德國(guó)漢諾威醫(yī)學(xué)院的肺病理學(xué)家Danny Jonigk。他覺(jué)得他整個(gè)職業(yè)生涯都在燭光下做研究，只是為了有人“突然開燈”。然后是Daniyal Jafree，他是英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）的醫(yī)科學(xué)生，他正在攻讀腎臟成像博士學(xué)位。

人體器官地圖集項(xiàng)目的目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)可免費(fèi)訪問(wèn)的在線圖像庫(kù)，包括高度“縮放”的人體器官，直到微觀結(jié)構(gòu)。

為您服務(wù)的X光片

沒(méi)有物理學(xué)，人體器官圖集項(xiàng)目是不可能的。它始于法國(guó)格勒諾布爾的歐洲同步輻射設(shè)施（ESRF），該設(shè)施自30多年前開放以來(lái)一直是世界上最重要的X射線光源之一。與臨床CT掃描儀提供的X射線不同，同步加速器X射線具有高能量和高空間相干性。這意味著它們的波形在傳播時(shí)保持非常相位，使研究人員能夠利用X射線相位的微小變化來(lái)生成具有非常高細(xì)節(jié)和對(duì)比度的層析（逐節(jié)）3D圖像（見下面的方框）。

多年來(lái)，這種相位對(duì)比X射線技術(shù)對(duì)生物標(biāo)本進(jìn)行了令人難以置信的重建。例如，2011年，ESRF波束線科學(xué)家Paul Tafforeau幫助對(duì)早期人類祖先Australopithecus s sediba的頭骨內(nèi)部進(jìn)行了有史以來(lái)最詳細(xì)的掃描。最近，他制作了小型恐龍化石、古代人類牙齒甚至木乃伊鱷魚的掃描。

分層相位對(duì)比層析成像（HiP-CT）

大多數(shù)簡(jiǎn)單的成像方法——包括傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）——涉及測(cè)量電磁波通過(guò)樣品時(shí)的強(qiáng)度損失（衰減）。然而，1953年，荷蘭物理學(xué)家弗里茨·澤爾尼克因開發(fā)了一種替代且可能更具啟發(fā)性的成像方法而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，該方法涉及測(cè)量電磁射線相位的變化。

澤爾尼克的“相位對(duì)比”顯微鏡最初僅適用于可見光。但在1965年，由于Ulrich Bonse和Michael Hart（美國(guó)康奈爾大學(xué)的兩位物理學(xué)家）的工作，它也開始擴(kuò)展到X射線，他們使用晶體干涉儀將相變轉(zhuǎn)換為干涉模式。

干涉儀的限制意味著，通過(guò)日本筑立的Atsushi Momose和日本筑波大學(xué)Tohoru Takeda等人的努力，生物樣本的相位對(duì)比X射線成像必須等到20世紀(jì)90年代。大約在同一時(shí)間，位于法國(guó)格勒諾布爾的歐洲同步加速器輻射設(shè)施的Anatoly Snigirev和其他人意識(shí)到，他們可以在沒(méi)有干涉儀的情況下從自由空間中高度相干同步加速器X射線的干擾中推斷相變。通過(guò)在CT模式下結(jié)合許多傳播相位對(duì)比2D圖像，他們能夠?qū)π⌒蜕飿颖具M(jìn)行3D重建，其細(xì)節(jié)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)臨床CT掃描儀。

隨著2020年ESRF升級(jí)為“第四代”X射線源，“分層”相位對(duì)比CT（HiP-CT）成為可能。該實(shí)驗(yàn)室的超相干X射線提供了長(zhǎng)達(dá)40米的超長(zhǎng)傳播距離的相位變化信息，允許以微米分辨率以3D格式拍攝高達(dá)2.5米×1.5米大小的樣本——包括人體、軀干甚至整個(gè)身體。

然后，在2020年，發(fā)生了兩件事。首先，ESRF完成了一個(gè)新的“第四代”源的調(diào)試，使其成為世界上最亮的同步加速器實(shí)驗(yàn)室。在十多年的規(guī)劃和構(gòu)建中，Extremely Brilliant Source（EBS）提供的X射線比以前亮100倍，在橫向（水平）平面上具有100倍的連貫性，使其在低能量下幾乎像激光。EBS為斷層掃描成像創(chuàng)造了奇跡，使用戶能夠更詳細(xì)地掃描更大的物體。

當(dāng)然，2020年的第二個(gè)重大事件是COVID-19大流行。對(duì)許多科學(xué)家來(lái)說(shuō)，疫情使研究完全停止。不適合Tafforeau。出乎意料的是，他接到了UCL的ESRF斷層掃描常規(guī)用戶Peter Lee的電話，Jonigg又聯(lián)系了他。Lee想知道，ESRF能否幫助重建感染新冠肺炎后死亡者的肺組織樣本？這是一個(gè)很好的問(wèn)題，幾乎一夜之間，Tafforeau從研究古代化石轉(zhuǎn)向人體器官。

Tafforeau回憶道：“新冠肺炎疫情對(duì)許多人來(lái)說(shuō)改變了很多事情?！薄八庾R(shí)到，我們最初為古生物學(xué)開發(fā)的幾種成像技術(shù)可以在完整的人體器官上打開一個(gè)新的成像精度水平。然后，在進(jìn)一步開發(fā)這些技術(shù)的同時(shí)，我們意識(shí)到它可能改變了一般生物成像的游戲規(guī)則”。

Lee迅速組建了一個(gè)國(guó)際多學(xué)科團(tuán)隊(duì)，看看可以做些什么：UCL和ESRF的同步加速成像科學(xué)家；UCL的數(shù)學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家；漢諾威生物銀行的醫(yī)學(xué)科學(xué)家，以及德國(guó)美因茨大學(xué)和海德堡大學(xué)的醫(yī)學(xué)科學(xué)家。隨著新層析成像的明顯潛力的增長(zhǎng)，合作的廣度也在增加：它現(xiàn)在包括50多人。

科學(xué)家稱該技術(shù)為分層相位對(duì)比斷層掃描（HiP-CT），因?yàn)樗軌驗(yàn)檎麄€(gè)完整的器官提供3D重建，然后可以在任何地方探索到細(xì)胞水平。因此，該技術(shù)彌合了臨床CT和MRI以及活檢顯微鏡之間的鱗片差距。2021年11月，該項(xiàng)目正式確定為人體器官地圖集，目標(biāo)是提供所有人都可以訪問(wèn)的器官圖像參考數(shù)據(jù)庫(kù)。

更深入地看到倫敦大學(xué)學(xué)院的Claire Walsh（左）和法國(guó)格勒諾布爾歐洲同步輻射設(shè)施的Paul Tafforeau是開發(fā)分層相位對(duì)比斷層掃描（HiP-CT）新成像技術(shù)的科學(xué)家之一。該技術(shù)最初用于掃描捐贈(zèng)的人體器官，包括死于新冠肺炎的患者的肺部，是可縮放人體器官地圖集計(jì)劃的核心。它將提供整個(gè)完整器官的3D重建，然后可以在任何地方探索到細(xì)胞水平。

地圖集項(xiàng)目進(jìn)行中

HiP-CT拍攝的人類大腦視頻給人留下了該技術(shù)能力的印象（圖1）。它從常規(guī)開始，穿過(guò)整個(gè)器官的橫截面。在這里，大腦看起來(lái)像是臨床CT掃描，盡管是正常分辨率的50倍。各種裂片清晰可見，一些外部血管也是如此。然后，“相機(jī)”放大到大腦后部，小腦，完美地從大到小過(guò)渡。

在5微米分辨率下，可以看到白色和灰質(zhì)的最小特征；在2.5微米分辨率下，可以識(shí)別最小的血管。甚至可以看到金字塔形狀的細(xì)胞，稱為浦肯野神經(jīng)元，它們主要負(fù)責(zé)人類的運(yùn)動(dòng)功能。最后，視圖退縮，重建形態(tài)僅描繪血管?，F(xiàn)在，大腦“血管”令人難以置信的密度和復(fù)雜性變得顯而易見。作為輸送和接收氧氣、葡萄糖和新陳代謝廢物的系統(tǒng)，它讓我們每個(gè)人都活著和思考。

HiP-CT視頻看起來(lái)像你在科幻大片中看到的尖端CGI，但它是完全真實(shí)的。此外，隨著所有原始數(shù)據(jù)的收集和后處理，科學(xué)家可以隨意探索大腦的不同部分。事實(shí)上，圖像中純粹豐富的信息是如此之多，以至于解釋它本身就是一個(gè)主要問(wèn)題。該團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)分工，Tafforeau負(fù)責(zé)重建圖像，UCL團(tuán)隊(duì)試圖理解它們。

UCL計(jì)算分析團(tuán)隊(duì)的生物物理學(xué)家Claire Walsh承認(rèn)：這有點(diǎn)勢(shì)不可擋，一個(gè)例子是肺泡的大小，過(guò)去一直用它來(lái)表示肺部疾病的嚴(yán)重性。以前，肺泡被認(rèn)為是大致球形的，就像葡萄藤上的葡萄一樣。但新技術(shù)顯示它們更不規(guī)則。

因此，研究人員不得不在醫(yī)學(xué)合作者的投入下定義新的參數(shù)，以捕捉新信息的潛力。在疫情早期加入UCL團(tuán)隊(duì)的胸部放射學(xué)家Joseph Jacob強(qiáng)調(diào)了挑戰(zhàn)的規(guī)模。“當(dāng)他第一次看到這些圖像時(shí)，就明確了這是他想做的工作，但標(biāo)記它的復(fù)雜性，顯然只有通過(guò)計(jì)算機(jī)科學(xué)才能做到這一點(diǎn)”。

幸運(yùn)的是，Jacob知道X射線數(shù)據(jù)的圖像處理有多重要，他開發(fā)了將數(shù)百?gòu)?/strong>CT圖像拼接在一起以詳細(xì)查看肺部的算法。他認(rèn)為現(xiàn)在的獎(jiǎng)勵(lì)非常值得付出努力。他的這項(xiàng)新技術(shù)將向我們展示我們從未知道的存在的東西，鑒于醫(yī)學(xué)是一門非常“以器官為中心”的學(xué)科，這可能至關(guān)重要。如果你能想象整個(gè)軀干，你就能了解疾病是如何影響其他器官的；這將是一個(gè)更全面的方法。?

使用分層相位對(duì)比層析成像（HiP-CT）拍攝的人體大腦視頻的劇照顯示了該技術(shù)在您放大和縮小時(shí)可以做什么。a整個(gè)器官的橫截面顯示裂片和一些外部血管。b大腦后部小腦的更接近圖像。c以5微米的分辨率，可以看到白色和灰質(zhì)。d在2.5微米分辨率下，您可以看到最小的血管。e當(dāng)視圖退縮時(shí)，重建僅描繪血管，揭示了大腦“血管”的全部復(fù)雜性。f向后放大又出來(lái)了，血管就位了。有關(guān)視頻，請(qǐng)參閱bit.ly/3LEoxXp。

前面的路

就目前情況來(lái)看，地圖集中的幾乎所有器官都出現(xiàn)在ESRF長(zhǎng)期服務(wù)的BM05光束線上。然而，2021年12月，該團(tuán)隊(duì)在BM18上獲得了第一批HiP-CT圖像——這是一種新的ESRF光束線，旨在最大限度地發(fā)揮EBS對(duì)大型物體顯微層圖像的好處。雖然光束線要到2022年底才能完全運(yùn)行，但它最終將能夠成像軀干，甚至整個(gè)人體。

想象一下，有一天能夠在虛擬現(xiàn)實(shí)中探索所有年齡、背景、健康狀況和疾病的人體。正如Lee所指出的，新疾病造成的損害可以很容易地與現(xiàn)有疾病進(jìn)行比較，以表明已知的治療方法。人們可以看到自己內(nèi)心可能正在發(fā)生什么樣的過(guò)程。醫(yī)務(wù)人員可以純粹地好奇心，而不必求助于手術(shù)刀。

初步圖像已經(jīng)表明了HiP-CT的大規(guī)模詳細(xì)視圖的好處。新冠肺炎患者對(duì)幾個(gè)肺部的重建表明，在之前的臨床CT掃描中，異質(zhì)損傷僅表現(xiàn)為模糊的磨砂玻璃紋理（自然方法18 1532）。其結(jié)果有助于確定是肺部損傷的連通性，還是純粹的連接量，是病毒死亡的原因。

與此同時(shí)，Jafree渴望了解HiP-CT是否能幫助我們更好地了解腎臟，即他擅長(zhǎng)的器官。我們知道，血靜脈網(wǎng)絡(luò)（腎小球）的數(shù)量是一般腎功能的代理。但沒(méi)有人知道失去其中一些網(wǎng)絡(luò)如何影響那些剩余的網(wǎng)絡(luò)，或者它們的數(shù)量或形狀是否會(huì)影響腎臟健康。“HiP-CT允許我們以不同的視角看待這些問(wèn)題”。“它還會(huì)推動(dòng)學(xué)生們學(xué)習(xí)一些圖像分析技術(shù)的趨勢(shì)。我們需要這些專業(yè)知識(shí)來(lái)為生物學(xué)和醫(yī)學(xué)創(chuàng)造一些有意義的東西。

英國(guó)欣克斯頓Wellcome Sanger研究所的細(xì)胞遺傳學(xué)家Sarah Teichmann說(shuō)，她很慶幸看到第一批HiP-CT圖像，這能幫助她精湛地查看器官內(nèi)部的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，然后放大查看整個(gè)組織。“這些圖像和視頻不僅讓人對(duì)人體的美麗復(fù)雜性有了新的認(rèn)識(shí)”，“它們還儲(chǔ)存了關(guān)于我們身體如何工作的信息”。

Teichmann認(rèn)為，全器官或全身方法可以促進(jìn)我們對(duì)癌癥等疾病的理解。她還認(rèn)為，人體器官地圖集項(xiàng)目與人類細(xì)胞地圖集密切相關(guān)，這是一個(gè)她共同創(chuàng)立的國(guó)際財(cái)團(tuán)，旨在創(chuàng)建所有人類細(xì)胞的全面參考地圖。“[它]可以幫助我們了解這些細(xì)胞類型——我們?cè)诜肿铀缴厦枋龅?/strong>——在器官的大局中的位置。這將有助于彌合細(xì)胞和系統(tǒng)之間的差距，描繪更全面的人體圖景”。

美好的時(shí)光

除了這種成像技術(shù)的巨大科學(xué)影響外，人體器官地圖集拍攝的圖像也具有內(nèi)在的美感。2021年12月，《國(guó)家地理》雜志選擇了肺部的HiP-CT圖像作為其今年最喜歡的科學(xué)圖像之一。自2009年以來(lái)一直擔(dān)任ESRF總干事的物理學(xué)家Francesco Sette甚至將該技術(shù)的進(jìn)步與Leonardo da Vinci在16世紀(jì)初的解剖圖紙進(jìn)行了比較。

這些圖紙對(duì)人體的運(yùn)作，特別是其生物力學(xué)提供了前所未有的見解。目前還不清楚人體器官地圖集的后果是什么，盡管事實(shí)證明這個(gè)概念很受歡迎。該合作的《自然方法》論文已被下載超過(guò)5萬(wàn)次，就其Altmetric分?jǐn)?shù)或覆蓋范圍而言，在《自然》文章中名列前1%。

該項(xiàng)目還獲得了一些支持，尤其是由Facebook創(chuàng)始人Mark Zuckerberg和他的妻子Priscilla Chan設(shè)立的Chan-Zuckerberg倡議（CZI）的275萬(wàn)美元捐款。CZI獨(dú)立于Facebook，因?yàn)?/strong>Atlas團(tuán)隊(duì)剛剛開始與谷歌合作，向公眾提供其數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)Lee的說(shuō)法，該計(jì)劃是創(chuàng)建一個(gè)類似于谷歌地球的解剖版本，整個(gè)器官的3D“衛(wèi)星”分辨率為40微米，3D“街景”分辨率降至1微米，以暴露單個(gè)細(xì)胞。

在谷歌地球、谷歌地圖和谷歌天空之后，也許有一天我們也會(huì)有一個(gè)谷歌身體搜索工具。

拓展閱讀：了解世界上第二大傳染病的死亡原因！結(jié)核病細(xì)菌?

當(dāng)2種冠狀病毒變種在1個(gè)人體內(nèi)相遇時(shí)，可以誕生弗蘭肯斯坦雜交種？

量子門算法有望在現(xiàn)有硬件上實(shí)現(xiàn)！? ? ? ? ? ? ??科學(xué)家首次在血液中發(fā)現(xiàn)了微塑料

視頻欣賞：打折季-霸道總裁換季購(gòu)? ? ? ? ? ? ? ? ?足不出戶算是自我隔離嗎？

野性美（自然美才是真的美）? ? ? ? ? ? ? ? ? ?奔赴山海保持熱愛《森林采景》

網(wǎng)球的正確打開方式《情侶上場(chǎng)》? ? ? ? ? ? ? ? ? ??少年歸來(lái)《純欲滑板少年》

元?dú)馍倥稇敉庥醒踹\(yùn)動(dòng)》? ? ? ? ? ? ?有顏值又有力量《擼鐵美男》見人不如健身

標(biāo)簽：