彭汉川：让细胞搭上3D的快车

　　

编者按：有这么一个研究小组，近一年时间连续发表模式生物的单细胞图谱研究成果在《Cell》、《Nature Methods》和《Nature Biotechnology》等杂志上，在这些成果中这个小组开发的前沿、精细的3D图像显示和处理技术发挥了巨大的作用。曾经有位著名的院士说过，做生命科学研究最好能完全看清被研究对象的形态，这才是真正了解的开始。我想，3D技术助力细胞研究正是开启真正了解细胞的旅程的开端。开发和应用这套3D技术的是来自Howard Hughes Medicine Institute的彭汉川博士。

 
图：彭汉川博士

作为Howard Hughes Medicine Institute的计算机科学高级科学家（senior computer  scientists），彭汉川博士应用成像，图像处理和相关计算和生物技术研究生命科学现象，他所在的实验室通过开发3D图像计算技术让科学家们实时（real-time）观察生命现象。他早年毕业于东南大学生物工程专业，随后在著名的John Hopkins University和Lawrence Berkeley National Lab从事博士后研究， 2006年加入Howard Hughes Medicine Institute。近年来他开始以果蝇和线虫等模式生物为研究对象，开发图像与功能关联分析。 他开发了一个3D分析平台软件，V3D系统 ( http://penglab.janelia.org/proj/v3d )，让科学家们在可视化环境下分析生命现象。

3D技术助力单细胞基因表达
2009年9月，彭汉川研究小组和Eugene Myers小组合作首创了一套秀丽线虫(C. elegans) 3D细胞分布的第一个数字地图并用于单细胞水平基因表达图谱技术，这项技术的问世填补了单细胞功能基因图谱分析的空白，对单细胞乃至单基因的分析具有重要的意义。 他们的这一技术发表于该月的《Nature Methods》并被选为该期封面文章。

这个研究是生物技术，特别是基因技术，和计算技术的结合。关键是建立线虫的三维数字地图。为此，彭汉川研究小组开发了一整套计算机图像处理的方法从共焦显微镜图像中获取有关细胞核的重要信息。

他们的方法分为两步。首先对整个秀丽线虫产生一个高分辨率的三维数字地图，标定那些生物上可以准确知道名称的细胞。现在秀丽线虫数字地图包括大约 70％的细胞，它们包含了很多类别，例如体壁肌肉细胞，运动神经元，肠道消化细胞，上皮细胞，等等。

其次，他们开发了一套软件，对一个新扫瞄的三维秀丽线虫照片，这个软件能够自动将其与秀丽线虫数字地图进行对比分析，自动预测，判别，认证新照片中每个细胞的类别和名称，从而自动而且准确地定位每个细胞。有了这套工具，科学家就可以自动测量秀丽线虫的单细胞基因表达谱了。

首个单细胞功能基因表达图谱
2009年10月，彭汉川博士与斯坦福Stuart K. Kim实验室以及Eugene Myers实验室合作，利用这套秀丽线虫3D图像转换基因表达图谱技术完成了首个秀丽线虫单细胞功能基因表达图谱，这一成果发表在该月的《Cell》上。

基因表达是在单个细胞起作用的，但是长期以来没有好方法可以直接测量单细胞水平的基因表达量，使用基因芯片等微阵列方法只能得到整个生物组织的总体基因表达量，因此彭汉川博士研究小组的单细胞的功能基因表达填补了一项长期以来需要的技术空白，这一技术的出现将会对更好研究每个基因的功能起到巨大作用。

大脑神经元分布图谱
彭汉川博士努力将3D技术用于多个生命科学领域。 2010年他们尝试将3D技术应用在神经系统研究中，他们正着手绘制一个完整的果蝇大脑神经元互相连接的图谱，这一工作的初期成果之一，即V3D系统，被发表在2010年4月的《Nature Biotechnology》上。

 
图:大脑3D图

在同一篇文章中，研究人员利用V3D绘制出了一张地图，展现了果蝇大脑中的神经元连接。虽然整个地图还没有全部绘制完成，但是研究人员表示会在接下来的工作中逐步添加更多的数据。彭汉川表示，“在接下来几年里，我们想要做的是往这个地图中添加更多的神经元图片并逐步增加分辨率。”他将这项工作比喻成Google Earth地图，“如果你把果蝇的大脑想象成地球，那么这些神经元就是地球上的街道。我们要在地球上标志出很多很多的街道。” 

结合激光显微术的V3D图像计算和显示技术
据彭汉川博士介绍，这个V3D图像计算和显示技术 ( http://penglab.janelia.org/proj/v3d ) 和激光显微术是互补关系。作为一项新的三维，四维和五维图像数据可视化和计算技术，V3D有三大优势，（1）可实时显示大图像数据集 (gigabyte-sized and above)。(2) 鼠标实时三维空间选取，标注，测量图像中的任何三维位置，无需虚拟现实或其它复杂昂贵设备。（3）容易使用并扩展功能。基于此系统他们开发了一个新的高效神经元结构三维重建系统，和同类系统比较，精度提高近20倍，速度提高10倍以上。

彭汉川研究小组考虑的三维地图是在单个神经元水平。果蝇大脑大约有10万个神经元，所以这个工作还远未完成，但他们已经开始了系统研究。这个研究需要很多新的工具，V3D系统是其中一个非常重要的新工具。但是V3D不仅对神经科学有用，它对任何三维影像数据都有用，所以这个新软件已经引起广泛关注。它被大量下载，并在最新的自然－方法杂志(Nature Methods, May 2010 issue)，科学新闻杂志(Science News, May 8, 2010 issue), Popular Science (April 2010) 等被广泛报道。

此技术使用多种方法最大化图像保真度。彭汉川博士介绍说，V3D尽量显示全部像素信息；对于特别大的三维或多维图像，此技术使用两级三维显示，一个三维显示全局图像信息，一个显示任何当前用户感兴趣的局部区域，但是使用完全分辨率。所以用户可以同时达到高速显示和信息保真。

V3D首次提出了另一项新的“所见即所得”（What you see is what you get, WYSIWYG）的三维图像显示和交互技术。 V3D设计和实现了用鼠标实时在三维空间选取，标注，测量任意三维和多维图像中的任何三维位置或三维曲线信息。使用这些技术，用户可以迅速地在三维空间进行实时图像计算。此项发明在 2010年5月的Nature Methods杂志对V3D系统的专题报文章中被认为是最具创新的工作。

主要应用
V3D已经被很多领域的研究人员所关注，从细胞生物学到神经科学，从基础研究到有关人自身影像的应用研究，都有V3D的用户。此软件解决了三维图像显示，定位，标记，测量，计算的一系列问题，因此对于任何与三维，四维和五维图像有关的应用都有可能有价值。

下一步计划
彭汉川博士表示， 他的小组正在进一步细化果蝇大脑的三维数字地图，争取有更好的分辨率和覆盖率。另一个工作是向V3D系统中增加更多的图像处理功能，并在不同生物系统图像（如小鼠神经系统或人类MRI,fMRI, PET图像等）中进行应用。

此外，此篇文章（Nature Biotechnology)提出的新技术可能可以将其和一些成像技术结合，开发出具有实时成像和实时处理的新一代技术。（现有技术一般是实时成像和离线处理）。

结语：
对于科学家而言，基因表达、神经元作用的研究给我们的往往是云山罩雾般的感觉，新的3D技术可让科学家们清晰地观察了解基因功能表达和神经元作用模式，这将是科技的又一大进步。我相信，不仅仅是神经科学、基因表达学，还有干细胞、细菌、病毒等多学科的研究都将在未来搭上3D的快车，为人类探索生命奥秘带来便捷。

对于这项3D技术感兴趣的读者看看彭博士开发的新工具和这几篇文章：
V3D 系统网址: http://penglab.janelia.org/proj/v3d

V3D enables real-time 3D visualization and quantitative analysis of large-scale biological image data sets"
Hanchuan Peng, Zongcai Ruan, Fuhui Long, Julie H. Simpson, and Eugene Myers
Nature Biotechnology,Vol.28, No.4, pp.348-353, DOI:10.1038/nbt.1612, 2010
 
A 3D digital atlas of C. elegans and its application to single-cell analyses
Xiao Liu, Fuhui Long, Hanchuan Peng, Sarah J. Aerni, Min Jiang, Adolfo Sanchez-Blanco, John I. Murray, Elicia Preston, Barbara Mericle, Serafim Batzoglou, Eugene Myers, and Stuart Kim
Cell, Vol. 139, pp. 623-633, 2009

A 3D digital atlas of C. elegans and its application to single-cell analyses"
Fuhui Long*, Hanchuan Peng*, Xiao Liu, Stuart Kim, and Eugene Myers (*equal contribution)
Nature Methods, Vol. 6, No. 9, pp. 667-672, doi:10.1038/nmeth.1366, 2009
 

关于彭汉川
Senior Computer Scientist
2007– Present
Janelia Farm Research Campus
 B.Sc., biomedical engineering and instruments, Southeast University, Nanjing, China
 
 M.Sc., biological electronics, Southeast University, Nanjing, China
 
 Ph.D., biomedical engineering, Southeast University, Nanjing, China
 
My research lab at Janelia Farm Research Campus, Howard Hughes Medical Institute focuses on understanding the structures and functioning mechanisms of biosystems using data mining techniques for bioinformatics and computational molecular biology, particularly, bioimage data mining and informatics. These bioimages include cellular and molecular images and related medical images. Several recent projects are listed below.

• 3D Digital Atlas Modeling of Animals at the Single Cell/Neuron Level: building a 3D digital Worm Atlas for every cell in C. elegans and a 3D digital Fly Brain Atlas for fruitfly;
• Analysis of Gene Expression Pattern Images: high-performance image analysis and mining for different model organisms, such as fruitfly, C. elegans, and mouse;
• Feature/Model Learning: developing algorithms and software to extract/select features and learn models from biological data (e.g. microarray data, neuronal gene expression patterns in microscopical images, etc.);
• Brain Morphometry and Neuronal Structure Analysis: developing computational tools to measure and analyze quantities of brain tissues and neurons.