2013/01/04
マイクロテクノロジーの発展により、科学者はより容易にミクロの世界に踏み込むことができるようになりました。しかし、通常の顕微鏡では、細胞の外観は同じで、区別するのが困難です。そこで科学者たちは、遺伝子工学技術を用いて細胞を改変したり、色素を用いて細胞を染色したりするなど、さまざまな方法を考案してきました。その結果、顕微鏡で見ると、細胞はもはや単調なものではなく、美しい光景となりました。
好むと好まざるとにかかわらず、目の前の物体は常に同じ方法で情報を収集します。網膜細胞が光子を捉え、その情報は脳に伝達され、脳が画像に変換します。物体が小さすぎると、光子の反射も小さくなり、人間の目はその構造を見ることができません。このような場合、顕微鏡技術による観察が必要となります。本論文で紹介する画像は、重要な学術的価値を持つだけでなく、芸術的な美しさも兼ね備えています。これらの画像は、生物学研究における最先端の光学顕微鏡技術を体現しています。
現在、光学顕微鏡は前例のない変革期を迎えています。科学者たちは、新しい蛍光マーカーと遺伝子工学技術を用いて組織サンプルを改変することで、組織サンプルをカラフルにし、「発見」への扉を開きました。これは研究者たちが採用した新しい技術です。この技術により、マウスの脳神経はそれぞれ異なる色で鮮明に表示され、複雑な神経ネットワークの中で特定の軸索を追跡分析したり、完全な神経ネットワークのマッピングを作成したりすることが可能になりました。これは、従来の画像技術では不可能だったことです。
顕微鏡の精度も向上しました。特定のタンパク質に印を付け、顕微鏡を使ってその組織線上の活動を観察したり、細胞分裂や分化の過程を細部に至るまで一目で把握したりすることが可能になりました。研究者は明るい光の下で素早く画像を撮影し、細胞や組織内の瞬間的な出来事を捉え、微弱な光の下で細胞内の微細な生命過程を観察することができます。マイクロテクノロジーの発展に伴い、画像取得の速度と解像度の間の矛盾も解消されるでしょう。
現在、いくつかの顕微鏡技術は最も微細な生物学的構造さえも観察することができ（そして、処理は多数の観察データで観察されている）、これらの技術の幅広い応用は、私たちが生命の本質を理解するための確固たる基盤を築いている。
複雑な脳：カリフォルニア大学サンディエゴ校のトーマス・ディーリンク氏（Thomas Deerinck）は、わずか400μm厚のマウス小脳組織サンプルの微細構造を撮影し、2光子顕微鏡（2-photon microscopy）を使用しました（上の写真）。緑色はプルキンエ細胞（プルキンエニューロン）、赤色はアストロサイト（グリア細胞）、青色は核です。ハーバード大学のジャン・リヴェット氏（Livet Jean）は、遺伝子操作されたマウスの脳幹組織スライス（340μm）を共焦点顕微鏡（microscopy confocal）で撮影しました。遺伝子操作の結果、マウスの各ニューロンは異なる色で表示されます（下図参照）。ニューロンに異なる色（つまり「ブレインボウ」）を与えることで、科学者は複雑な神経ネットワーク内の単一の軸索の方向を観察できるようになります。
マウス内耳の組織構造
空間が狭く分離しにくいため、内耳の構造を観察するのは非常に困難です。ノースカロライナ大学ウィルミントン校のソニア・ピオット（Sonja pyott）は、マウスの内耳の有毛細胞（左上）を撮影しました。これらの細胞は、音波を機械的に電気パルス信号に変換することができます。写真では、有毛細胞は緑色、有毛細胞の細胞は赤色と青色、そして核（共焦点顕微鏡法）となっています。ワシントン大学のグレン・マクドナルド（MacDonald Glen）は、同様の染色法を用いてマウスの内耳の組織構造を撮影しました（共焦点顕微鏡法）。
ショウジョウバエの筋繊維
筋肉細胞は丈夫な筋肉組織を構成します。上の画像は、カリフォルニア大学サンディエゴ校のトーマス・ディーリンク氏（Thomas Deerinck）が撮影したマウスの舌の筋肉の断面です。次の写真は、ドイツのミュンスター大学のヘルマン・エーベルリ氏（Aberle Hermann）が撮影したショウジョウバエの肥大した筋線維を示しています。遺伝的変異のため、ショウジョウバエの筋線維は不規則に見えます（共焦点顕微鏡）。
ヤギの骨4回
ヒレとヤギの骨：2枚の写真は、脊椎動物の体の密な組織構造を示しています。イスラエルのラマト・ガンで、サミュエル・シルベルマンは、100倍に拡大した魚のヒレの骨の上に、まだら模様の秋（光ファイバー照明技術を使用）を置きました。骨ミネラル密度とミネラル含有量の増加度における骨形成の変化を観察するために、フロリダ州タンパ市のモー・モフェットがんセンターのマーク・ロイド（マーク・ロイド）とノエル・クラーク（ノエル・クラーク）は、ヤギの骨を4倍に拡大しました（図、ヒロノ顕微鏡を参照）。
ヤギの骨4回
ヒレとヤギの骨：2枚の写真は、脊椎動物の体の密な組織構造を示しています。イスラエルのラマト・ガンで、サミュエル・シルベルマンは、100倍に拡大した魚のヒレの骨の上にまだら模様の秋を置きました（光ファイバー照明技術を使用）。骨ミネラル密度とミネラル含有量の増加度における骨形成の変化を観察するために、フロリダ州タンパ市のモー・モフェットがんセンターのマーク・ロイドとノエル・クラークは、ヤギの骨を4倍に拡大しました（図、ヒロノ顕微鏡を参照）。染色体（青）の周りに微小管が形成されます。
ここに、コロンビア大学のヤン・シュモランツァ（Sch-moranzer Jan）が血清飢餓処理した細胞の細胞膜と微小管（緑色）の構造を示します。グラフを見ると、線維芽細胞の微小管は異常な挙動を示しています。微小管の直径は約20nmで、通常、細胞膜に隙間があると、微小管は破れた場所に凝集しますが、この場合はそうではありません。間期細胞では、デューク・U-serdar, Tulu（U. serdar Tulu）が138μm幅の視野で染色体（青色）を捉え、その周囲に微小管（黄色、下）が形成されています。
これらの写真を見ると、有名な物理学者リチャード・ファインマン（リチャード・ファインマン）が「楽しい」という話の中で語ったことを思い出さずにはいられません。ファインマンの友人は、科学者は芸術家ほど花の美しさを深く認識できないが、美しい花も、あちこちに咲き乱れ、結局はつまらないものになってしまうと考えていました。ファインマンは友人の意見に同意せず、こう述べた。「彼は本当にちょっとおかしいと思う。そもそも、彼と私の違いは何だろう？私が何を見ているのか？たとえ彼と同じような美的訓練を受けていなくても、花の美しさを理解できるはずだ……。細胞の動きを想像してみてほしい。その不可解さは美しさではないだろうか？つまり、花の美しさは巨視的な形だけではなく、微視的な世界、その内部構造も同様に魅力的だ。そして、花は昆虫にとって天の恵みであり、闘争の源泉でもある。それ自体が非常に興味深いことであり、昆虫も色を識別できる可能性があるという側面もある。美しい花を見る上で、私は一つの疑問を抱きたい。下等動物も花の美しさを理解できるのだろうか？なぜ彼らは味覚を持っているのだろうか？こうした興味深い疑問は、科学的知識が花をより神秘的で、より刺激的で、より畏敬の念を抱かせるものにするだけだということを証明している。」
