Исследователи из Медицинского института Говарда Хьюза (Howard Hughes Medical Institute) провели демонстрацию работы масштабного программного комплекса, над разработкой которого они работают, начиная с 2012 года. Эта программа, используя огромное количество снимков, полученных при помощи специализированного микроскопа, позволяет проследить весь процесс роста и развития живого организма, начиная от эмбриона и заканчивая взрослой особью, детализируя этот процесс до уровня отдельно взятых клеток и визуализируя все это соответствующим образом.
"Нашей целью является выяснение всех тонкостей "плана", которому следует природа, создавая живые существа. Это можно выяснить лишь отслеживая весь процесс развития существ от самой ранней стадии до самой поздней стадии этого процесса, при этом мы должны иметь возможность наблюдать за движением и делением каждой клетки организма развивающегося живого существа" - рассказывает Филипп Келлер (Philipp Keller), ученый из института Говарда Хьюза, - "Самым большим предметом нашего интереса является развитие и формирование нервной системы. И мы собираемся собрать всю информацию о процессе развития каждой отдельно взятой нервной клетки и связи, что даст нам в руки подробную информацию о функционировании нервной системы в целом".
Проблема, с которой сталкиваются ученые, занимающиеся подобными исследованиями, заключается в том, эмбрионы существ даже одного вида в процессе развития могут иметь различные формы, некоторые виды клеток могут быть плотно упакованы в небольшом пространстве, что служит помехой для идентификации и отслеживания отдельных клеток. Кроме этого, эмбрион развивается в течение достаточно длительного времени, в течение которого практически невозможно обеспечить абсолютно одинаковое качество съемки, что усложняет анализ полученных данных.
Для преодоления вышеупомянутых проблем исследователи разработали специальную методику скоростной микроскопической съемки, совместив ее с прогнозирующим программным обеспечением. "Получая на руки последовательность снимков, мы определяем то, что делала каждая клетка и куда она двигалась в последнее время. Имея такие данные, мы можем предсказать на некоторое время вперед, что эта клетка будет делать далее" - рассказывает Келлер, - "Благодаря использованию мощного компьютера, все эти шаги выполняются по мере того, как микроскоп делает очередные снимки, таким образом, мы всегда знаем, где находится каждая клетка развивающегося организма и имеем точную информацию о ее происхождении".
С учетом того, что рост нервной системы эмбриона мыши занимает около недели, а подобный процесс у мушки-дрозофилы занимает один день, ученые получают десятки и сотни тысяч изображений с высокой разрешающей способностью, которые занимают терабайты данных и которые можно обработать только при помощи высокопроизводительных вычислительных систем. "Благодаря использованию современных микроскопов, мы можем получать наборы качественных изображений. Но если мы хотим обработать эти данные и получить полную модель всего процесса развития живого организма, мы не можем обойтись без помощи компьютера и специализированного программного обеспечения" - рассказывает Келлер, - "Разработанная нами программа "шлифовалась" в течение двух лет, но только недавно она заработала в полную мощность и мы первыми в мире получили возможность охватить процесс роста живого организма целиком на уровне отдельных клеток".
Первым испытанием работы программы стало отслеживание процессов развития нервной системы мушки-дрозофилы. Полученные тысячи снимков позволили отследить происхождение 295 клеток-нейробластов, клеток являющихся предшественниками нервных клеток. А при помощи функции прогнозирования программы ученые получили возможность точно предсказать судьбу и функции будущих клеток, основываясь на динамике развития организма.
