一种受电子游戏启发的方法为肢体发育可视化提供了一种新方法

从单个细胞到整个生物体，胚胎发育是一个持续不断变化的过程。然而，我们对这一过程的理解有时会受到这样一个事实的限制，即我们只能将这一过程视为“快照”，尤其是更精细的分子细节，如基因表达模式

现在，巴塞罗那EMBL的James Sharpe研究小组的科学家们已经找到了一种方法，通过应用视频游戏开发人员经常使用的技术来可视化发育中基因表达模式的持续进化。这项研究最近发表在《发展》杂志上

在这里，夏普集团的博士生、该研究的第一作者Laura Aviñó-Esteban解释了这一新发现是如何产生的：

“发育生物学面临的最大挑战之一是无法实时观察内部胚胎发育。在鱼类和两栖动物等一些动物中，胚胎发育发生在父母体外，研究人员可以直接拍摄这一过程的电影，但在小鼠等哺乳动物中，器官的形成只发生在子宫内，因此一直隐藏着。

”这迫使研究人员如果想研究发育，就必须依靠收集不同阶段胚胎的快照。这种方法虽然有用，但本质上是有限的。它需要大量的样本，尽管收集了大量的数据，但仍然只能提供对发展的零散和嘈杂的描述

“研究基因表达模式更为复杂。与解剖结构（如骨骼或特定组织）不同，基因表达模式与胚胎上的物理位置没有明确的联系，这使得重建它们随时间的变化变得更加困难。即使在大型数据集中，单个胚胎之间的差异——有些发育得更快，有些发育得更慢——也会带来不一致，使解释变得困难。

”我们真正需要的是对这些动态的连续描述，使我们能够以有意义的方式可视化甚至模拟发育中的胚胎随时间的基因表达模式

“这正是我们在研究小鼠肢体发育的夏普小组中要实现的目标。我们的工作使用之前从不同实验中收集的数据集，重建了一个平滑、连续的基因表达模式时间线，填补了之前对胚胎发育的零散描述中的空白。

”为此，我们开发了一种新的方法来“插值”基因表达数据——换句话说，估计测量之间空白中缺失的数据点。这就像在图表上连接点，画线来弥合差距，使数据完整

“我们的方法不是试图直接插值组织的整个模式——这是一种复杂且容易出错的方法——而是专注于一种更简单、更有效的策略：插值每个运动组织的基因表达，然后将其组合成发育肢体的单一表示。通过将一个困难的二维问题转化为更易于管理的一维插值，我们大大提高了准确性和效率。

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“在开发这种方法的过程中，我们遇到了一个关键挑战：选择正确的插值技术。两种常用的插值方法——线性插值和多项式插值——各有其局限性。线性插值将点与直线连接起来，可能会导致感觉不切实际的突然变化。另一方面，多项式插值可以创建平滑的曲线，但需要提前猜测曲线的确切形状，这限制了灵活性

“突破来自一个意想不到的来源——电子游戏。一天晚上，在玩游戏时，我意识到游戏开发人员使用‘某物’为相机运动和动画创建平滑而灵活的插值。我发现这个‘某物’是一组称为B样条的数学函数。

”这项技术正好提供了我们所需要的：一种任意平滑的插值方法。通过采用B样条，我们能够创建一种无缝集成不同成像数据源的方法，在时间和空间上生成基因表达模式的平滑重建

“为了测试我们的方法，我们将其应用于Sox9，这是一种已知在肢体发育过程中标记未来骨骼细胞的基因。结果很有希望——我们不仅实现了Sox9表达随时间变化的首次清晰可视化，而且我们还证明了该方法甚至适用于具有非常复杂模式的基因。我们还对其他发育过程进行了测试，如神经管形成——神经系统发育的关键部分——表明该方法在肢体发育之外具有广泛的适用性。

”最终，我们为这项工作感到自豪。我们的方法解决了发育生物学中最令人沮丧的一个方面：无法动态可视化基因表达变化。更重要的是，我们在不需要额外数据收集的情况下实现了这一目标。p