对于微观世界来说，这无疑是激动人心的一周。在一项新的显微镜技术突破中，研究人员已经学会如何利用微小的光片来制作活细胞的电影，揭示细胞分裂的动态过程，并以前所未有的细节照亮细胞的三维结构。
这项技术使用一种高度聚焦、超薄的光束，类似于超市结账扫描仪使用的光束。它可以让细胞生物学家在细胞行动的分子层面展开时，观察其发生的内在机制。
“在观察生命系统时，你想要成为上帝。你想要拥有全知的力量，能够观察所有时间尺度——不仅仅是显微镜载玻片上的单个细胞，而是能够观察现在你心脏中那个细胞里的单个分子正在发生什么。这就是梦想，”霍华德·休斯医学研究所（Howard Hughes Medical Institute）Janelia Farm研究园区（Janelia Farm Research Campus）的研究领导者Eric Betzig说道。“你希望这种（全知）能力在不引起生物体察觉和不受任何影响的情况下实现。”
这项名为贝塞尔光束平面照明显微镜（Bessel beam plane illumination microscopy）的新技术，可能是实现这一目标而不伤害细胞的最佳方式。
在过去的几个月里，其他显微镜技术的进步也首次让科学家得以观察细胞的3D结构。例如，麻省理工学院的研究人员正在将原子力显微镜与磁共振成像相结合，以揭示3D图像。马萨诸塞大学（University of Massachusetts）正在开发的一种随机光学显微镜（stochastic optical microscope）利用荧光标记技术（Betzig也曾研究过）来创建马赛克图像。就在本周，英国的科学家们也宣布了一种新技术，该技术可以放大光学观察，使其能够超越光的衍射极限，从而能够观察细胞和病毒。
“这些都是有前途的技术，但它们相当于拍快照。当你试图理解复杂的过程时，快照的价值有限——理想情况下，你应该捕捉一部实况电影。观察染色体在细胞分裂过程中分离的过程，就像下面的视频一样，或者观察细胞膜的起伏，就像下面更远的地方展示的那样，会更有用。”
一部电影需要长时间观察细胞，但这会带来一些问题。如果观察细胞时不杀死它们，那么长时间的观察过程本身就会对它们造成伤害。一种常用的技术——共聚焦显微镜（confocal microscopy）——使用针孔法来阻挡失焦的光线，从而能够观察显微镜焦平面内非常精确的区域。但Betzig说，整个样本仍然会被光线照射。“
“你不能观察细胞太长时间，否则它们会真的蜷缩并死亡，”他说。“而且你也不能非常快速地观察它们，因为你必须用一个小光点来扫描它们。”他还说，图像也会失真。
Betzig一直在寻找克服这些问题的方法，并开始研究平面照明（plane illumination），即从侧面而不是从下方照射被观察物体，这是大多数显微镜的工作方式。一个欧洲研究小组在2003年开发了一种平面照明显微镜，并用它来展示了胚胎在细胞不断分裂过程中的发育情况。
“当你观察直径达数百微米的胚胎时，它们效果非常好，”Betzig说。“但如果你想深入了解每个细胞内部正在发生什么，而这正是我想要做的，它们就不那么适用了。”
他的研究小组决定使用一种特殊的聚焦光束，称为贝塞尔光束（Bessel beam），它不像普通光束那样在长距离内发生衍射。为了保持光束的高度聚焦，他们必须调制光束，在扫描样品时将其打开和关闭。结果是一系列高速图像，可以拼接成一部电影。
“我们可以非常高速地、长时间地研究细胞的三维复杂性。高轴向分辨率、高速和非侵入性的结合，使其与众不同，”Betzig说。
这个视频中蠕动的线粒体代表了300个图像堆栈，每个堆栈包含300个二维图像，仅在一秒钟内采集。
“这近乎十万张细胞图像，而且没有对其进行漂白或伤害，”Betzig说。“在一秒钟内，就能创建一个关于该细胞在上秒所发生情况的完整3D图像。”
Betzig表示，下一步可能是将贝塞尔光束平面技术与超分辨率技术相结合。那将是惊人的——当我们能够无限制地观察微小结构，并且成像技术能够在不伤害生物体的情况下拍摄电影时，可能性似乎无穷无尽。
