谷歌地球、谷歌地图和谷歌天空之后，也许有一天我们会有一个谷歌身体搜索的工具！

2022-04-01 23:34 作者:黄先生斜杠青年 0人读过 | 我要投稿

这张人类肺部的3D图像是使用欧洲同步加速器辐射设施的新极光源拍摄的。（图片来源：ESRF/HiP-CT：C L Walsh、P Tafforeau、W L Wagner等人）

在这个信息时代，我们希望知识触手可及。如果我们想了解某人的第一印象，我们中的许多人会直接进入他们的社交媒体页面。如果我们想理解一个新主题，我们不用买教科书（大多数基础知识都在维基百科上等着我们）。如果我们想探索一个新城市，我们可以通过在谷歌地球上四处走动来做很多事情。曾经昂贵或独家的信息现在对所有人都是免费的。

但是医学图像呢？假设你想探索真正的人类心脏是什么样子的，从整个器官到最小的血管。目前，对我们大多数人来说，这是不可能的。诚然，心脏外科医生可以获得患者心脏的放射图像，并订购特定体积的活检。但即便如此，医生也很容易对单个成像方法的局限性感到沮丧。

临床计算机断层扫描（CT）使用X射线逐片构建3D图像，仅限于毫米分辨率。磁共振成像（MRI）也是如此，它使用磁场和无线电波在体内对等。与此同时，活检的显微镜通常仅限于毫米大小的体积。无论你是否是专家，看到微米或近微米分辨率的器官或整个人体的梦想都是不可能的。

在过去的两年里，欧洲数十名科学家一直在忙于汇编有史以来最详细的真实器官的3D视图。就像谷歌地球一样，该团队的项目众所周知，人体器官图集既简单又令人惊讶。其目标是创建一个可免费访问的高度“缩放”人体器官的在线图像库，揭示从其最大特征（厘米和米的规模）到微观结构的一切。

该项目已经创建了肺部、大脑、心脏、肾脏、脾脏和肝脏的3D图像（见human-organ-atlas.esrf.eu）。到2025年，人体器官图集团队希望成像整个人类躯干，在不远的将来，成像整个人体。这项工作对科学家和非科学家来说都令人印象深刻，以至于该项目正在由英国、欧盟和美国的一些知名融资机构提供资金。甚至谷歌也产生了兴趣。

一位一直在该项目上合作的科学家是德国汉诺威医学院的肺病理学家Danny Jonigk。他觉得他整个职业生涯都在烛光下做研究，只是为了有人“突然开灯”。然后是Daniyal Jafree，他是英国伦敦大学学院（UCL）的医科学生，他正在攻读肾脏成像博士学位。

人体器官地图集项目的目标是创建一个可免费访问的在线图像库，包括高度“缩放”的人体器官，直到微观结构。

为您服务的X光片

没有物理学，人体器官图集项目是不可能的。它始于法国格勒诺布尔的欧洲同步辐射设施（ESRF），该设施自30多年前开放以来一直是世界上最重要的X射线光源之一。与临床CT扫描仪提供的X射线不同，同步加速器X射线具有高能量和高空间相干性。这意味着它们的波形在传播时保持非常相位，使研究人员能够利用X射线相位的微小变化来生成具有非常高细节和对比度的层析（逐节）3D图像（见下面的方框）。

多年来，这种相位对比X射线技术对生物标本进行了令人难以置信的重建。例如，2011年，ESRF波束线科学家Paul Tafforeau帮助对早期人类祖先Australopithecus s sediba的头骨内部进行了有史以来最详细的扫描。最近，他制作了小型恐龙化石、古代人类牙齿甚至木乃伊鳄鱼的扫描。

分层相位对比层析成像（HiP-CT）

大多数简单的成像方法——包括传统的计算机断层扫描（CT）——涉及测量电磁波通过样品时的强度损失（衰减）。然而，1953年，荷兰物理学家弗里茨·泽尔尼克因开发了一种替代且可能更具启发性的成像方法而获得诺贝尔物理学奖，该方法涉及测量电磁射线相位的变化。

泽尔尼克的“相位对比”显微镜最初仅适用于可见光。但在1965年，由于Ulrich Bonse和Michael Hart（美国康奈尔大学的两位物理学家）的工作，它也开始扩展到X射线，他们使用晶体干涉仪将相变转换为干涉模式。

干涉仪的限制意味着，通过日本筑立的Atsushi Momose和日本筑波大学Tohoru Takeda等人的努力，生物样本的相位对比X射线成像必须等到20世纪90年代。大约在同一时间，位于法国格勒诺布尔的欧洲同步加速器辐射设施的Anatoly Snigirev和其他人意识到，他们可以在没有干涉仪的情况下从自由空间中高度相干同步加速器X射线的干扰中推断相变。通过在CT模式下结合许多传播相位对比2D图像，他们能够对小型生物样本进行3D重建，其细节远远超过临床CT扫描仪。

随着2020年ESRF升级为“第四代”X射线源，“分层”相位对比CT（HiP-CT）成为可能。该实验室的超相干X射线提供了长达40米的超长传播距离的相位变化信息，允许以微米分辨率以3D格式拍摄高达2.5米×1.5米大小的样本——包括人体、躯干甚至整个身体。

然后，在2020年，发生了两件事。首先，ESRF完成了一个新的“第四代”源的调试，使其成为世界上最亮的同步加速器实验室。在十多年的规划和构建中，Extremely Brilliant Source（EBS）提供的X射线比以前亮100倍，在横向（水平）平面上具有100倍的连贯性，使其在低能量下几乎像激光。EBS为断层扫描成像创造了奇迹，使用户能够更详细地扫描更大的物体。

当然，2020年的第二个重大事件是COVID-19大流行。对许多科学家来说，疫情使研究完全停止。不适合Tafforeau。出乎意料的是，他接到了UCL的ESRF断层扫描常规用户Peter Lee的电话，Jonigg又联系了他。Lee想知道，ESRF能否帮助重建感染新冠肺炎后死亡者的肺组织样本？这是一个很好的问题，几乎一夜之间，Tafforeau从研究古代化石转向人体器官。

Tafforeau回忆道：“新冠肺炎疫情对许多人来说改变了很多事情。”“他意识到，我们最初为古生物学开发的几种成像技术可以在完整的人体器官上打开一个新的成像精度水平。然后，在进一步开发这些技术的同时，我们意识到它可能改变了一般生物成像的游戏规则”。

Lee迅速组建了一个国际多学科团队，看看可以做些什么：UCL和ESRF的同步加速成像科学家；UCL的数学家和计算机科学家；汉诺威生物银行的医学科学家，以及德国美因茨大学和海德堡大学的医学科学家。随着新层析成像的明显潜力的增长，合作的广度也在增加：它现在包括50多人。

科学家称该技术为分层相位对比断层扫描（HiP-CT），因为它能够为整个完整的器官提供3D重建，然后可以在任何地方探索到细胞水平。因此，该技术弥合了临床CT和MRI以及活检显微镜之间的鳞片差距。2021年11月，该项目正式确定为人体器官地图集，目标是提供所有人都可以访问的器官图像参考数据库。

更深入地看到伦敦大学学院的Claire Walsh（左）和法国格勒诺布尔欧洲同步辐射设施的Paul Tafforeau是开发分层相位对比断层扫描（HiP-CT）新成像技术的科学家之一。该技术最初用于扫描捐赠的人体器官，包括死于新冠肺炎的患者的肺部，是可缩放人体器官地图集计划的核心。它将提供整个完整器官的3D重建，然后可以在任何地方探索到细胞水平。

地图集项目进行中

HiP-CT拍摄的人类大脑视频给人留下了该技术能力的印象（图1）。它从常规开始，穿过整个器官的横截面。在这里，大脑看起来像是临床CT扫描，尽管是正常分辨率的50倍。各种裂片清晰可见，一些外部血管也是如此。然后，“相机”放大到大脑后部，小脑，完美地从大到小过渡。

在5微米分辨率下，可以看到白色和灰质的最小特征；在2.5微米分辨率下，可以识别最小的血管。甚至可以看到金字塔形状的细胞，称为浦肯野神经元，它们主要负责人类的运动功能。最后，视图退缩，重建形态仅描绘血管。现在，大脑“血管”令人难以置信的密度和复杂性变得显而易见。作为输送和接收氧气、葡萄糖和新陈代谢废物的系统，它让我们每个人都活着和思考。

HiP-CT视频看起来像你在科幻大片中看到的尖端CGI，但它是完全真实的。此外，随着所有原始数据的收集和后处理，科学家可以随意探索大脑的不同部分。事实上，图像中纯粹丰富的信息是如此之多，以至于解释它本身就是一个主要问题。该团队负责分工，Tafforeau负责重建图像，UCL团队试图理解它们。

UCL计算分析团队的生物物理学家Claire Walsh承认：这有点势不可挡，一个例子是肺泡的大小，过去一直用它来表示肺部疾病的严重性。以前，肺泡被认为是大致球形的，就像葡萄藤上的葡萄一样。但新技术显示它们更不规则。

因此，研究人员不得不在医学合作者的投入下定义新的参数，以捕捉新信息的潜力。在疫情早期加入UCL团队的胸部放射学家Joseph Jacob强调了挑战的规模。“当他第一次看到这些图像时，就明确了这是他想做的工作，但标记它的复杂性，显然只有通过计算机科学才能做到这一点”。

幸运的是，Jacob知道X射线数据的图像处理有多重要，他开发了将数百张CT图像拼接在一起以详细查看肺部的算法。他认为现在的奖励非常值得付出努力。他的这项新技术将向我们展示我们从未知道的存在的东西，鉴于医学是一门非常“以器官为中心”的学科，这可能至关重要。如果你能想象整个躯干，你就能了解疾病是如何影响其他器官的；这将是一个更全面的方法。

（图片来源：ESRF/HiP-CT：C L Walsh、P Taf foreau、W L Wagner等人）

使用分层相位对比层析成像（HiP-CT）拍摄的人体大脑视频的剧照显示了该技术在您放大和缩小时可以做什么。a整个器官的横截面显示裂片和一些外部血管。b大脑后部小脑的更接近图像。c以5微米的分辨率，可以看到白色和灰质。d在2.5微米分辨率下，您可以看到最小的血管。e当视图退缩时，重建仅描绘血管，揭示了大脑“血管”的全部复杂性。f向后放大又出来了，血管就位了。有关视频，请参阅bit.ly/3LEoxXp。

前面的路

就目前情况来看，地图集中的几乎所有器官都出现在ESRF长期服务的BM05光束线上。然而，2021年12月，该团队在BM18上获得了第一批HiP-CT图像——这是一种新的ESRF光束线，旨在最大限度地发挥EBS对大型物体显微层图像的好处。虽然光束线要到2022年底才能完全运行，但它最终将能够成像躯干，甚至整个人体。

想象一下，有一天能够在虚拟现实中探索所有年龄、背景、健康状况和疾病的人体。正如Lee所指出的，新疾病造成的损害可以很容易地与现有疾病进行比较，以表明已知的治疗方法。人们可以看到自己内心可能正在发生什么样的过程。医务人员可以纯粹地好奇心，而不必求助于手术刀。

初步图像已经表明了HiP-CT的大规模详细视图的好处。新冠肺炎患者对几个肺部的重建表明，在之前的临床CT扫描中，异质损伤仅表现为模糊的磨砂玻璃纹理（自然方法18 1532）。其结果有助于确定是肺部损伤的连通性，还是纯粹的连接量，是病毒死亡的原因。

与此同时，Jafree渴望了解HiP-CT是否能帮助我们更好地了解肾脏，即他擅长的器官。我们知道，血静脉网络（肾小球）的数量是一般肾功能的代理。但没有人知道失去其中一些网络如何影响那些剩余的网络，或者它们的数量或形状是否会影响肾脏健康。“HiP-CT允许我们以不同的视角看待这些问题”。“它还会推动学生们学习一些图像分析技术的趋势。我们需要这些专业知识来为生物学和医学创造一些有意义的东西。

英国欣克斯顿Wellcome Sanger研究所的细胞遗传学家Sarah Teichmann说，她很庆幸看到第一批HiP-CT图像，这能帮助她精湛地查看器官内部的细胞结构，然后放大查看整个组织。“这些图像和视频不仅让人对人体的美丽复杂性有了新的认识”，“它们还储存了关于我们身体如何工作的信息”。

Teichmann认为，全器官或全身方法可以促进我们对癌症等疾病的理解。她还认为，人体器官地图集项目与人类细胞地图集密切相关，这是一个她共同创立的国际财团，旨在创建所有人类细胞的全面参考地图。“[它]可以帮助我们了解这些细胞类型——我们在分子水平上描述的——在器官的大局中的位置。这将有助于弥合细胞和系统之间的差距，描绘更全面的人体图景”。

生命体征这些人类肾脏的HiP-CT图像可以揭示血管网络的体积或形状是否会影响肾脏疾病的发作。（图片来源：ESRF/HiP-CT：C L Walsh、P Tafforeau、W L Wagner等人）

美好的时光

除了这种成像技术的巨大科学影响外，人体器官地图集拍摄的图像也具有内在的美感。2021年12月，《国家地理》杂志选择了肺部的HiP-CT图像作为其今年最喜欢的科学图像之一。自2009年以来一直担任ESRF总干事的物理学家Francesco Sette甚至将该技术的进步与Leonardo da Vinci在16世纪初的解剖图纸进行了比较。

这些图纸对人体的运作，特别是其生物力学提供了前所未有的见解。目前还不清楚人体器官地图集的后果是什么，尽管事实证明这个概念很受欢迎。该合作的《自然方法》论文已被下载超过5万次，就其Altmetric分数或覆盖范围而言，在《自然》文章中名列前1%。

该项目还获得了一些支持，尤其是由Facebook创始人Mark Zuckerberg和他的妻子Priscilla Chan设立的Chan-Zuckerberg倡议（CZI）的275万美元捐款。CZI独立于Facebook，因为Atlas团队刚刚开始与谷歌合作，向公众提供其数据库。根据Lee的说法，该计划是创建一个类似于谷歌地球的解剖版本，整个器官的3D“卫星”分辨率为40微米，3D“街景”分辨率降至1微米，以暴露单个细胞。