微小的秘密

在罗素·克施曼出现之前，显微镜下的世界与哥伦布启航前人们所看到的世界非常相似：平坦。显微镜让我们看到物体的表面，并对其内部有所了解，但其真正的三维结构仍然是个谜。没有人确切知道维可牢尼龙搭扣的两部分是如何连接的，纸巾上的孔隙网络是如何使其吸水的，甚至不知道构成我们皮肤的三个不同层是如何相互作用的。后来，克施曼发明了一种新型显微镜——它彻底改变了科学家们的观察方式。

例如，宝洁公司的科学家正在利用 Kerschmann 的技术研究骨骼在生长过程中对各种药物的反应。桑迪亚国家实验室的工程师们正在使用这种新显微镜测量他们用来制造微型机器人的微型螺丝和齿轮。罗彻斯特大学儿科心脏病专家 Christine Miller 说：“没有它，我们就会陷入困境。”Miller 正在使用这种新的成像技术研究胚胎鸡心脏周围的血压升高是否会导致先天性心脏缺陷。

“我们花了一年半的时间，利用其他技术实现了这一目标，但一无所获。”
这个最初只是 Kerschmann 厨房桌子上的一个占据了太多空间的设备，现在已成为位于加利福尼亚州科尔特马德拉市价值数百万美元的 Resolution Sciences Corp. 公司的核心。这项名为数字体积成像的技术可以为科学家提供几乎所有他们想近距离观察的物体的精确三维图像。这些图像可以旋转并从任何角度查看；它们也可以打开以显示样本的内部。

Kerschmann 的图像与之前的图像截然不同，甚至让制造商和科学家了解到了他们从未了解过的产品知识。例如，当 Kerschmann 拍摄 Velcro 时，他了解到这种材料的构造效率很低 — 大多数粘合纤维从未接触过。

Kerschmann 的图像可以帮助制造商设计出一种同样坚固但成本更低的 Velcro。“在我们的实验室里，我几乎每天都能看到以前从未见过的东西，”Kerschmann 说。“我们才刚刚开始了解这项技术的所有应用。”

150 多年来，人们一直在使用显微镜近距离观察自然界，而这种设备也变得越来越复杂。但现有的显微镜在放大比几根头发直径还大的样本时会遇到问题。它们无法三维地捕捉样本的内部细节。

大约 15 年前，医学病理学家 Kerschmann 就亲身遇到了这个问题，当时他在波士顿麻省总医院的 Wellman 光医学实验室工作。该实验室正在开发一种激光疗法，用于治疗血管膨胀，这种血管膨胀会导致皮肤出现难看的瑕疵，如葡萄酒色斑和蜘蛛静脉。Kerschmann 的任务是确定特定的激光能量和脉冲长度，使血管塌陷，而不会损害胶原蛋白（一种赋予皮肤弹性的蛋白质）。

医生会从志愿者身上采集皮肤样本，然后 Kerschmann 会将它们嵌入
蜡制成薄薄的切片。然后，他用显微镜检查每个切片，看看激光首先击中血管分支网络中的哪个部分。但克尔施曼很快就感到沮丧。他通过现有显微镜看到的二维世界无法帮助他解答本质上是三维的问题。

“我没能看清楚它们，”他回忆道，“你能看到每个血管的圆形横截面，但它们并不会告诉你血管是如何连接和分支的。”

克尔施曼知道，可以生成一个复合的 3D 计算机图像，该图像可以反映样品的所有单个部分。但他也知道，切割过程会严重扭曲和损坏切片，以至于事后将它们重新拼接起来会产生非常不准确的图像。这就像切开一块软面包，然后将压扁的切片重新粘在一起，并假设你已经重建了原始面​​包的形状。

克尔施曼最终想出了一个办法来解决切割问题。他没有像传统方法那样一开始就把物体切成小块，然后放在数百块玻璃片上，而是决定交替进行成像和切割，这样最终会更加精确。

克施曼通常先用一块铅笔橡皮擦大小的样本开始他的实验。样本上先用荧光染料染色，然后嵌入黑色硬塑料中。然后他把样本夹在显微镜上。显微镜发射激光穿过样本，激发荧光染料。数码相机捕捉图像，然后刀片切掉样本的外层。切割过程中受损的外层被丢弃，但样本的其余部分仍然完好无损。接下来，对样本新暴露的外层进行成像，然后将其移除。随着这两个过程不断重复，样本慢慢收缩，直到什么都不剩。但剩下的是每一层大约 1,000 张的图像，存储在计算机上。软件程序将它们编译成原始样本的单一、精美细致的三维视图。

克施曼的 3D 图像之所以如此精确，是因为他用来包裹样品的塑料是黑色的。这种不透明性意味着当显微镜发出的光线照射到样品上时，它只能穿透最外层——也就是在下一次扫描中将被丢弃的那一层。因此，两幅图像之间不会出现视觉重叠。

流程完成后，Resolution 会向客户发送一张光盘，其中包含合成图像及其多个组成部分。该公司还提供了一台计算机工作站，该工作站配备了特殊软件，可让客户查看、分析和处理数据。该套件的价格高达 24,000 美元，但客户表示物有所值。

“我们了解到了很多关于齿轮的未知信息，”加州利弗莫尔桑迪亚国家实验室的科学家 Doug Chinn 说道。Chinn 制造的齿轮和螺丝只有几百微米长，大约是圆珠笔尖的一半大小。它们是微型机器人等微机械设备的部件，科学家们希望有一天这些机器人能被植入人体，用于输送药物或保护移植细胞。工程师们依靠计算机图纸来设计这些部件。但 Chinn 表示，在 Resolution 出现之前，他的团队无法确定制造的部件尺寸是否与图纸相符。“Resolution 的技术让我们能够看到部件的侧面，”他说。“没有其他技术能给我们提供相同的信息。”

与此同时，在帕萨迪纳加州理工学院贝克曼研究所的生物成像中心，安迪·埃瓦尔德正在试图追踪青蛙胚胎发育过程中细胞的运动情况。但胚胎是不透明的，所以他看不到胚胎内部。埃瓦尔德通过用荧光染料标记特定细胞，然后让 Resolution 拍摄处于不同发育阶段的胚胎图像（从最初的细胞球到具有可识别器官的胎儿），解决了这个问题。这些数据使他能够看到胚胎内部，并确定他标记的细胞最终会变成哪些身体器官。

尽管克尔施曼的技术很有用，但它并不完美。一些科学家抱怨说，显微镜无法处理边缘大于 8 毫米（大约相当于方糖大小）的物体，而且当样本接近最大尺寸时，图像的分辨率会下降。克尔施曼说，问题在于硬件。当今的计算机无法足够快地处理他的数据。

尽管如此，克尔施曼的望远镜还是改变了微观世界的面貌。一百多年来，科学家们一直在努力制作精确的微观三维图像，但直到现在，他们不得不依靠艺术家对物体外观的渲染。“我们制作的是实物，”克尔施曼说。