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计算机断层扫描如何揭示蝙蝠颅骨的内部解剖结构

2016年11月15日

纽约美国自然历史博物馆的博士后研究员阿比盖尔·柯蒂斯演示了计算机断层扫描如何为蝙蝠的生理学研究带来意想不到的科学见解。

纽约美国自然历史博物馆的博士后研究员阿比盖尔·柯蒂斯(Abigail Curtis)演示了计算机断层扫描技术如何为蝙蝠生理学研究带来意想不到的科学发现。研究人员利用计算机断层扫描技术对现代蝙蝠和化石蝙蝠样本进行X射线扫描,从而生成数字重建图像。这些图像有助于研究蝙蝠物种如何进化出专门用于进食、交流和定位食物的解剖结构。最重要的是,研究人员正在利用无损检测 的方法共享蝙蝠的数字扫描数据,从而在全球范围内开展合作研究。

计算机断层扫描如何揭示蝙蝠颅骨的内部解剖结构2

微型蝙蝠与巨型蝙蝠

本次讲座将概述各种类型的蝙蝠,以及生物学家采集的样本类型。你绝对难以相信这一类群中的哺乳动物竟具有如此惊人的多样性——其体型从数公斤重到比拇指尖还小的蝙蝠都有。尽管如此,不同物种的蝙蝠在外形上极为相似,却又各自具有独特的特化特征,以适应不同的功能。

观看这段25分钟的视频,了解计算机断层扫描(CT)在蝙蝠研究这一生命科学领域中的精彩应用。您将看到研究人员如何从颅骨CT图像中分离出解剖结构,并对其进行单独研究。阿比盖尔还探讨了研究人员如何利用CT图像数据,与世界各地的同行开展合作。

探究蝙蝠的演化

蝙蝠实际上是哺乳动物中物种多样性排名第二的类群。因此,在拥有约2,000个物种的啮齿类之后,蝙蝠的物种数量在1,300至1,500之间,而且你越仔细查阅物种清单,就会发现它们的形态越发奇特。 当你深入观察它们的面部特征并研究骨骼时,会发现不同物种之间的骨骼结构也大相径庭。这些结构或差异与它们颅骨的功能密切相关。

YXL_视频_阿比盖尔_蝙蝠多样性_缩略图

骨骼本质上就是高深的物理学。这是物理学在骨骼上的应用。如果你将这些头骨分解为后部区域(本页图片中的红色部分),即基本容纳大脑的部分,以及前部区域(蓝色部分),即口吻部,那么口吻部相对于容纳大脑部分的实际比例,就反映了它们如何使用头骨。因此,右边的那只动物吃的是坚硬的果实。 思考狗的情况时,你也能看出这类原理。你大概宁愿被柯利犬咬,也不愿被比特犬咬,而它们的口吻形状截然不同。对于家养犬,我们能从逻辑上理解这一点。左边这只动物有点像蜂鸟,以花蜜为食。因此它拥有非常细长的口吻,不需要去碾碎坚硬的果实种子。 而处于中间状态的那种也是杂食动物。它们头骨长度的范围变化很大。作为一名生物学家,这些现象真的让我着迷。

利用计算机断层扫描检查蝙蝠头骨

YXL_视频_阿比盖尔_蝙蝠奇多_缩略图

这是我最近最喜欢的一张图片。现在,生物课上所有酷炫的学生都在做软组织X射线CT检查。图中这只蝙蝠(右侧图片)看起来好像钻进了一袋奇多薯片里,但它实际上是以花蜜为食的。它把脸伸进了植物里,脸上沾满了花粉。 通过CT扫描,我们可以观察到组织中许多非常有趣的细节,包括大脑,特别是负责平衡和运动感知的小脑。我们可以观察到大脑中的密度变化、鼻腔特征、软组织内衬,以及颅骨周围的肌肉。

YXL_视频_阿比盖尔_蝙蝠_颅骨_缩略图

利用这些扫描图像,你可以逐一分析,将这些软组织分离出来,并将其重新放置在骨骼上。在这张图像(右侧)中,这是一只蝙蝠的头骨,下颌闭合肌用红色和蓝色标出,而下颌张开肌则用紫色标出。 这样,您就能开始理解肌纤维的走向,以及当扫描嘴巴闭合或张开的蝙蝠时,其走向会发生怎样的变化,并比较不同种类哺乳动物之间的差异。

YXL_视频_阿比盖尔_蝙蝠对比_缩略图

在这最后一张图(右侧)中,我们可以看到一种蝙蝠类的食肉动物、一种鼬科动物、一只鼩鼱以及一种啮齿类动物。也许还有类似水獭的动物,但体型稍小一些。因此,你可以观察不同物种肌肉各部分的比例有何差异。 对于以植物为主要食物的动物来说,这种蓝色肌肉的比例会更大。而这只(在四种动物视图的右上角所示)以非常坚硬的果实为食的动物,需要张大嘴巴产生极高的咬合力,因此这里有一块附着在顶部的非常大的红色肌肉。这样,你就可以开始理解下颌闭合肌肉的进化模式,以及它与摄食行为之间的关系。

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