北航新闻网3月3日电（通讯员 刘季濛）2020年3月2日，北京航空航天大学航空高端装备智能制造技术工信部重点实验室和北京大学分子医学研究所共同组成的跨学科团队在Nature Cell Biology发表题为“Long-term, in toto live imaging of cardiomyocyte behaviour during mouse ventricle chamber formation at single-cell resolution”的文章，首次报道哺乳动物心脏早期发育过程的细胞谱系全景图，揭示了从心管起源到心室建立，再到肌小梁形成的细胞动力学新机制。我校机械学院肖文磊副教授，北京大学的程和平教授、何爱彬研究员为论文的共同通讯作者。（原文链接：https://www.nature.com/articles/s41556-020-0475-2。）

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利用成像技术重构具单细胞分辨率且时间上连续的全细胞谱系，是发育生物学的难点和热点。心脏作为哺乳动物胚胎发育中第一个形成的功能性器官，是其他组织器官发育的关键推动力。连续追踪心脏发育的全细胞谱系主要难点来自三个方面：其一，哺乳动物胚胎体外培养条件下，如何保持心脏正常发育，同时实现长时程实时成像，避免光毒性对胚胎发育的影响；其二，胚胎的细胞异质性高，成像深度和视场大，如何实现全胚成像（in toto imaging）、如何处理海量图像数据以精准地识别细胞并追踪谱系。其三，心脏成像还面临一个更加特殊的挑战—小鼠胚胎期心跳每分钟达200次,需要有新技术新策略在跳动的心脏上获得单细胞分辨率的图像。

本项研究突破了上述一系列挑战。在该项研究中，北航团队主要负责海量图像数据预处理与细胞识别算法的设计与开发工作。心脏成像的每次试验产生的海量原始数据（~2T/天）对图像处理提出了很高的要求。为此，团队通过开发一系列适应海量图像数据预处理程序和细胞识别算法，取得了前所未有的细胞识别精度（99.68%），可以精确地追踪到参与“心室建设”的每一个细胞单元和每一个谱系家族。系统整合后 （图一），实现了长达1.5天心脏全部心肌细胞的连续成像（从约300个到8000多个细胞，总细胞识别数约2百万个）和时间分辨率为3分钟的全细胞谱系追踪。

图一. 自主开发的垂直式光片显微镜系统

研究结果清晰地揭示了心室形态发生细胞动力学与肌小梁的细胞起源与机制。首次发现肌小梁细胞有两种起源，一类是细胞命运预先决定的肌小梁原始细胞：内层细胞从开始的心肌细胞分化就位于内层，后续通过自我增殖不断贡献给肌小梁形成，另一类则起源于外层细胞，但通过迁移或者有偏向性的细胞分裂定植于内层（图二）。

图二. 心室肌小梁谱系起源与形成机制

航空高端装备智能制造技术工信部重点实验室长期以来一直从事航空航天领域CAD/CAM、智能数控、工业机器人仿真、智能装配技术及装备等研究工作。本研究成功的将智能制造方向的复杂几何建模、图像快速处理、海量数据可视化等研究成果应用到海量生物图像识别与谱系追踪，极大地提高了识别准确率，是我校航空航天优势工程学科专业技术在生物学领域的成功应用。

视频一. 小鼠胚胎原始心脏心管起源发生过程

视频二. 小鼠胚胎心脏心室发育过程

（审核：邓怡）

编辑：贾爱平