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一個玩笑成就1650萬的大項目:用CT掃描20000種動物

作者:放射沙龍

2016年,華盛頓大學生物力學教授Adam Summers在Twitter上釋出的CT掃描得到了一些關注,他說想“掃描所有的魚”。佛羅裡達自然曆史博物館的兩栖爬行動物副館長David C. Blackburn博士在Twitter上回複說,他想“掃描所有的青蛙”。

兩位研究者在Twitter上開的一個玩笑,已經成為一個為期四年,國家科學基金資助250萬美元(約合人民币1650萬),對20000個博物館藏脊椎動物标本進行三維數字掃描,并讓所有人都能線上查閱的恢弘項目。

這個項目,就是oVert(Open Exploration of Vertebrate Diversity in 3D)。

一個玩笑成就1650萬的大項目:用CT掃描20000種動物
一個玩笑成就1650萬的大項目:用CT掃描20000種動物

無耳巨蜥(Lanthanotus borneensis)的CT掃描。原産于婆羅洲,為拟毒蜥科(lanthanotidae)僅存的一種。

oVert是openVertebrate的縮寫,旨在向研究人員、教育工作者、學生和公衆提供免費的數字三維脊椎動物解剖模型和資料。在過去的四年多時間裡,團隊對美國博物館收藏的20000多個動物标本進行CT掃描,為80%以上的脊椎動物屬提供高分辨率的解剖學資料。

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參加項目的機關有18家,其中包括16家博物館和6家影像中心。

CT掃描是一種非破壞性技術,可以從内部和外部顯示樣本——骨骼、肌肉、循環和神經系統、内髒、寄生蟲、卵子和胃内容物。

選擇的樣本也将進行增強掃描,以确定軟組織的特征。

這些數字圖像和三維網格檔案将在開放存取線上資料庫MorphoSource上開放供探索、下載下傳和三維列印。這些新媒體将在全球範圍内史無前例地擷取博物館收藏中的珍貴标本,并提高iDigBio有資料标本的研究價值。

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白頸狐猴Varecia variegata

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緬甸角蟾蜍Brachytarsophrys carinensis的CT掃描顯示了骨骼和礦化皮膚。

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CT掃描顯示墨西哥窄嘴蟾蜍(Hypopachus variolosus)的循環系統

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古巴變色蜥增強CT掃描,使用一系列工程軟體進行分析。使用基于材料科學的纖維分析對肌肉纖維的方向進行分類。

雖然數字化工作永遠無法取代博物館展櫃上标本的價值,但它們确實為附近可能沒有此類資源的人提供了通路途徑。

康奈爾大學脊椎動物博物館魚類、兩栖動物和爬行動物館長Casey Dillman說:“在開源時代,一旦資訊數字化,世界上任何人都可以立即獲得這些資訊。”

通過這種方式,另一個國家的研究人員如果想比較本地小魚和北美小魚的頭骨,現在隻需上網即可。Dillman補充說:“它把實物标本從架子上拿下來,放在每個人的手中。”

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即使是精細的結構,比如坦尚尼亞尖吻蛙Arthroleptis tanneri手部肌肉,也可以通過增強CT進行可視化和數字解剖。

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通過CT掃描對标本進行數字化,博物館可以更容易地分享其稀有而重要的标本。這是佛羅裡達博物館爬蟲學藏品中的墨西哥毛足泥龜Kinosternon hirtipes的全型。

通過這樣做,該倡議支援NSF推進生物多樣性收藏數字化(ADBC)計劃和iDigBio的任務,通過向世界各地的科學家、學生和教育工作者提供三維解剖資料。

oVert産生的資料将成為各種研究項目的催化劑,這些項目的重點是了解脊椎動物的形态多樣性,并顯著增加館藏标本的可及性。這些解剖表型,促進了分類學、進化、發育生物學、比較生理學、功能解剖學、古生物學和生态學等領域的整合。使用X射線計算機斷層掃描(CT)生成高分辨率數字解剖資料,以二維和三維容積顯示,這些資料可以通過線上資料源全球分布。

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CT允許研究人員可視化和量化難以測量的特征。這張圖檔顯示了一隻安哥拉穴居豬鼻蛙(Angolan burrowing pig-nosed frog)頭骨的高密度和低密度區域。

有了這些3D數字标本,國際研究界将能夠(1)診斷、描述和推斷現存和滅絕脊椎動物之間的關系模式,(2)測試形态進化的假設,如差異模式、子產品化和表型-環境相關性,(3)開發結構-功能模型,用于測試與進食和運動等相關的形态學适應假設;(4)探索大腦和神經系統解剖學以及感覺和肌肉骨骼功能之間的關系。

值得注意的是,oVert将主要緻力于提供兩種類型的資料:原始斷層掃描資料,也稱為切片資料,供有權使用三維渲染軟體的研究人員使用,以及可線上檢視、下載下傳和三維列印的三維模型。而所有這些資料都可以免費下載下傳。

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oVert團隊将教育訓練博物館專家制作、管理和分發三維解剖資料,并為研究人員提供如何使用這些資料的指導。該團隊還将教高中生和大學生建立三維解剖模型。

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CT掃描突出了這隻巨大的環狀蜥蜴[巴伯頓龍蜥蜴(Smaug barbertonensis)]頭骨上的厚重盔甲。

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通過應用有限元分析等方法,研究人員可以模拟博物館标本上的應力和應變。這張圖檔顯示了東部響尾蛇的毒牙在咬獵物時可能會對這些力量做出反應。

為了增加K-12 STEM教育工作者對數字标本的使用,該團隊将舉辦由教師主導的研讨會,根據美國博物館收藏的數字和列印的三維标本模型,生成免費的課程計劃,重點關注特定的科學标準。

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增強掃描顯示了卡魯環帶蜥蜴(Karusasaurus polyzonus)的心髒,顯示了其脆弱的心房和主動脈弓。

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通過oVert,教育工作者和學生可以接觸到來自美國博物館的數千件标本,比如這隻侏儒狨猴(pygmy marmoset)。

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馬拉加西侏儒變色龍Brookesia superciliaris的CT掃描顯示骨密度。

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CT掃描顯示了同樣不幸的東部豬鼻蛇Heterodon platirhinos的最後兩餐:一條蝾螈和一隻蟾蜍。

該項目的資金僅限于對美國收藏的标本進行數字化。然而,公開團隊可以為對CT掃描标本感興趣的國際機構的研究人員提供指導,将他們的資料上傳到MorphoSource或形成類似的合作網絡。

所有的公開資料可免費用于研究、教育和其他非商業用途。若要在出版物中使用這些資料,請遵守資料作者和資料所有者關于确認和引用他們在MorphoSource上的資料的意願。

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鲸鲨 Rhincodon typus增強CT掃描圖像

來源:XI區

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