互动科普

磁共振显微技术正在揭示人类早期发育的秘密。

每天清晨，当我到达杜克大学医学中心的活体显微中心时都有惊人新颖的生物景象等待着我，它就是被名为磁共振显微术(MRM)的技术所揭示的人类保存胚胎的内部特征。这些三维图像既精细又富有启发作用，如此“虚拟的”胚胎让我能对任何早期人体系统进行计算机模拟研究。利用这些成像，我还能制作此前没有可能制作的胚胎发育动画。

随着生物学家试图了解正常和非正常发育的步骤及支配每一过程的因素，对这类详细信息的需求日益增多。现有的知识大多来自对正常动物和改变了遗传特性的动物的胚胎两维切片的研究，但是为了更好地诊断和治疗人类先天性畸形和疾病，科学家必须将从这种动物模型中得到的信息同人类早期发育的相应阶段联系起来。

因而，1996年我从国家儿童健康与人类发育研究所(NICHD)得到了一份根据无价之宝卡内基人类胚胎收藏馆的标本编辑虚拟人类胚胎联网数据库的合约。卡内基收藏馆位于华盛顿特区的军事病理学研究所的国立健康与医学博物馆内，收藏了各个发育阶段的人类胚胎。它收集了从怀孕后1天到8星期的胚胎以及早期胎儿(胚胎在8星期时变成胎儿)。最小的标本大约只有0.2毫米长；最大的约有30毫米，象杏仁那样大。卡内基收藏馆的核心是收藏流产的产物，它们于1887年至1917年间由胚胎学家Franklin Paine Mall所得。现在，它的收藏物还包括对怀孕妇女进行例行体解剖时发现的胚胎。

收藏的发起者根据特定的标志(例如首次出现肢胚芽时)，将胚胎发育分为23个期段。NICHD已责成我制作从卡内基第10期(怀孕后22天)——此时首次出现咽弓。它将变成颌的一部分——到胎儿发育的第一个星期的MRM图像。发育生物学家、医生以及普通大众都可通过标题为“多维人类胚胎”的万维网网点得到我的工作成果(参见本文参考文献)。现在可以看到卡内基11、15、17、19、22和23期的信息，其它阶段的数据将于2000年6月前发布。

为了创造这些前所未有的人类胚胎图像，我仔细地在小瓶中将每个胚胎放好，然后放入超导磁体。MRM技术类似于许多医院使用的磁共振成像(MRI)。同MRI一样，MRM利用射频能量激发检测组织中水的质量。不过，MRM能够显示比适用于医疗诊断更精细的信息。MRI能够产生一立方毫米三维象素(体积元素)分辨率的图像。但MRM却能记录小一百万倍的三维象素。它是通过采用更强大磁体、更强的产生磁场微扰的梯度和容纳微小标本的小的成像线圈来实现这种更高分辨率的。

MRM技术是由Allan Johnson及其同事在杜克大学开发出来的。它不会以任何方式损害胚胎，相反，为了用常规显微术观察胚胎，研究人员通常得不实际将标本切成数百个非常薄的横切片，MRM只光学显微术重构图象所需时间的一小部分就能产生无畸变的三维虚拟胚胎，不到两小时，就能从一个胚胎标本形成三维数据系列，这比光学显微术用数百小时来完成图象重构快多了。

虽然MRM产生了详尽的三维数据系列，但研究人员仍要依靠计算机来显示这些结果。为了形成本文所描述的那样一幅图像，我和同事采用了立体绘制软件来把各个MRM图像切片迭起来——一共128片每个包括256×256个像素——从而形成有810万个三维像素的体排列，每个三维像素代表胚胎的一个微小部分。软件使我们能够旋转这种三维像素矩阵，切去若干层三维像素以显示内部剖面图，或者根据某些标准(如它们的信号强度)对三维像素的灰度进行着色或整理。然后，我们利用计算机算法让虚拟光线从后向前通过每个矩阵。

这些光线被它们对应三维像素修正并在计算机监视器的平面上形成图像。我们的工具方法使我们能做出任何方向上的子图像切片；我们还能使标本的表面透明，从而揭示它的内部结构，此外，我们还可将各个器官系统分开来检测。

多维人类胚胎项目将让全世界的研究人员利用卡内基收藏馆的宝贵资源，从而从其胚胎中获得比以前可能获得的更多信息。我和我的同事预料，此联网资源将被证明在训练医生利用MRI和超声波来监测出生缺陷方面是有帮助的。它还将为缺乏胚胎学专业知识的研究人员的实验室和学习基础胚胎解剖学的学生的课堂直接提供有价值的图像资料，在制作这些意义重大的图像的过程中，我们将为后人保存极为稀缺和不可替代的人类胚胎收藏物。

【冉隆华／译 郭凯声／校】