《Oceans》：From Serial Histological Sections to Three-Dimensional Anatomy: Reconstructing Internal Morphology for Systematic Studies
编辑推荐：
自然历史藏品的数字化正日益普及，以提升可及性、保存珍贵标本并拓展生物学研究的机会。尽管微型计算机断层扫描（micro-computed tomography, micro-CT）等三维（three-dimensional, 3D）成像技术已彻底改变了形态学研究
自然历史藏品的数字化正日益普及，以提升可及性、保存珍贵标本并拓展生物学研究的机会。尽管微型计算机断层扫描（micro-computed tomography, micro-CT）等三维（three-dimensional, 3D）成像技术已彻底改变了形态学研究，但从连续组织学切片生成可比3D数据集的方法仍未得到充分利用。本研究以两种多肠目扁虫——红带织纹扁虫（Cestoplana rubrocincta，属盘肠亚目Cotylea）和南方背扁虫（Notoplana australis，属无盘肠亚目Acotylea）作为概念验证案例，评估了将数字化组织学系列重建为分类学工具的潜力。这两个物种均缺乏可靠的外部诊断特征，传统上依赖内部生殖解剖结构进行区分。研究人员采用开源工作流程，对连续矢状组织学切片的全切片图像进行数字对齐并重建为交互式3D体积。所得重建结果与传统解剖学解释高度吻合，同时增强了咽部和生殖系统从任意视角的可视化效果。虚拟标本实现了非破坏性的定量解剖数据提取，包括从多个观察平面获取内部器官测量值，展示了获取传统组织学检查无法获得的形态计量特征的潜力。尽管测量数据仅来自每个物种的一个个体，因此不能代表种内变异水平，但它们证明了重建的组织学数据集能够产生可能对未来分类学研究有用的定量解剖信息。然而，研究人员强调，本研究是一项具有分类学潜力的方法论示范，仍需进一步验证。经验证后，该方法可将传统组织学藏品转化为交互式、可重复利用的数字资源，在保持解剖保真度的同时扩展分析能力。研究人员提出，存档组织学材料的3D重建为系统学中的分子和形态学方法提供了有价值的补充，在分类学、生物多样性研究、博物馆数字化和教育领域具有广泛应用前景。
论文解读：基于连续组织学切片的三维重建在系统分类学中的应用——以多肠目扁虫为例
一、研究背景与科学问题
自然历史藏品是生物多样性研究和保护的基础资源。近年来，随着数字化采集与共享技术的发展，这些藏品的数字化已成为建立生物学基线、评估生物多样性和支撑广泛生物学研究不可或缺的手段。传统的二维（2D）组织学切片虽能提供精细的细胞和组织结构信息，但研究者需在脑海中整合数百张连续切片的图像才能理解复杂的三维（3D）空间关系，这一过程既耗时又容易引入主观偏差。尽管微型计算机断层扫描（micro-CT）等3D成像技术在形态学研究中已取得革命性进展，但对于大量已存在的、珍贵的组织学切片藏品而言，将其转化为可交互、可量化的3D数字资源的方法仍远未普及。
在分类学实践中，许多类群（尤其是软体动物、扁形动物等）缺乏可靠的外部诊断特征，其物种鉴定严重依赖于内部生殖解剖结构的组织学观察。多肠目（Polycladida）扁虫便是典型代表：该目包含超过800个描述种，分为盘肠亚目（Cotylea，具腹吸盘）和无盘肠亚目（Acotylea，无腹吸盘）。由于外部形态趋同，传统分类主要依赖内部生殖系统的精细解剖。然而，近年来的分子系统学研究表明，现行多肠目分类框架亟需修订，迫切需要发现更多可与分子数据整合的形态学特征。因此，如何从现有的组织学藏品中高效、非破坏性地提取定量、可重复的内部形态数据，成为系统分类学研究的重要课题。
二、研究方法概述
研究人员选取了两个代表性物种——红带织纹扁虫（Cestoplana rubrocincta，盘肠亚目）和南方背扁虫（Notoplana australis，无盘肠亚目）各一个个体作为概念验证案例。两个物种均缺乏可靠的外部鉴别特征，传统上依赖生殖解剖结构进行分类。标本采自澳大利亚，固定于10%缓冲福尔马林和Bouin氏液，石蜡包埋后分别以5 μm和7 μm厚度进行矢状面连续切片，采用AZAN三色染色法染色并以DPX封片剂封片。切片使用Zeiss Axioscan玻片扫描仪进行全切片成像（Whole Slide Imaging, WSI）数字化。主要技术流程包括三个关键步骤：（1）图像提取与对齐：从WSI数据集中提取TIFF格式图像，导入Fiji软件进行手动平移对齐以维持解剖连续性；（2）体积重建：将对齐后的图像堆栈导入3D Slicer软件，通过Vector to Scalar Volume模块转换为标量体积，采用VTK CPU Ray Casting算法和软组织渲染预设生成3D重建，调整不透明度和颜色以优化解剖结构可视化；（3）测量与分析：从重建体积中导出虚拟切片至Fiji，获取选定组织和器官的最大横截面积（mm2）等定量数据。所有标本均已存放于澳大利亚悉尼澳洲博物馆海洋无脊椎动物收藏馆（编号AM W.51328和AM W.51324）。
三、研究结果
3.1 三维重建
研究人员成功生成了两个物种咽部和交配系统的高质量3D可视化模型，涵盖背矢状面和横向视图。重建结果与传统解剖学绘图高度一致，验证了工作流程的可靠性。以C. rubrocincta为例，重建清晰呈现了雄性生殖系统（前列腺囊pv、储精囊sv、射精管ed、阴茎针st、雄孔mp）和雌性生殖系统（粘液腺cg、阴道v、雌孔fp）的空间排布，以及咽部区域（咽ph、口m、咽褶pf）的完整结构。传统解剖学绘图与3D重建的对比表明，后者能从任意角度展示内部器官的空间关系，而这是传统连续切片观察难以实现的。
3.2 三维测量
研究人员从多个观察平面对两个标本的选定生殖结构进行了最大横截面积（mm2）测量。例如，C. rubrocincta的前列腺囊、储精囊和阴茎针等结构均可获得明确的量化数据。这些测量值仅为方法学演示，旨在证明重建工作流程能够从虚拟标本中提取定量解剖信息，而非代表物种水平的形态特征。由于仅涉及单个个体，这些数据不能作为诊断特征使用，但展示了未来在群体水平上发掘潜在分类学特征的可行性。
四、讨论与结论
本研究的概念验证表明，数字化组织学切片的三维重建能够忠实再现传统解剖学解释，同时提供显著增强的功能性。首先，重建模型允许从任意方向交互式观察内部结构，无需像传统组织学那样在头脑中整合数百张切片的信息，从而更容易揭示器官间的空间关系，特别是复杂的交配器和咽部区域。其次，非破坏性地从重建模型中提取器官横截面积、表面积等定量数据，这在传统组织学方法中几乎不可能实现，极大地扩展了可用于分类学和系统学研究的形态学信息范围。
研究人员强调，本研究的测量数据仅来自单个个体，不应被视为物种水平的诊断值，而是展示了重建数据集所能产生的数据类型。建立这些测量的分类学效用需要跨种群、发育阶段和近缘种的多个体分析。此外，方法学本身仍面临若干技术挑战：精确的重建依赖于连续切片的精准对齐，而切片厚度、形状、取向的微小差异会累积并引入伪影；分割和重建过程的精度与可重复性需要正式评估；测量不确定性（如操作者决策带来的误差）需要量化并报告。未来研究应探索在石蜡块中加入参考标记、校准沿切片轴的尺寸、考虑组织收缩等因素以提高几何精度。
从更广泛的视角看，该方法对博物馆藏品管理具有重要意义。组织学制备常与模式标本等珍贵材料关联，受地理距离、保护限制或借阅规定影响难以获取。数字3D重建可集成到在线藏品数据库，使研究者远程检视和量化内部解剖，减少对脆弱原件的处理风险。此外，重建数据集还可转化为表面网格用于摄影测量、虚拟展览甚至3D打印，在教育和公众参与方面展现巨大潜力。
研究结论：本概念验证研究表明，经验证后，由数字化组织学切片衍生的三维重建能够再现传统解剖学解释，同时生成内部形态的定量、非破坏性、可重复利用的数据集。尽管需要进一步的方法学完善和严格验证以最大化准确性与可重复性，该方法为分类学、系统学以及传统鉴定方法面临挑战的类群（包括隐存种、形态相似类群和早期生活史阶段）提供了显著优势。在自然历史藏品中更广泛地采用经过验证的该方法，不仅能扩大现有组织学资源的可及性和实用性，还将有助于构建一个更加定量化、可重复且全球可及的生物多样性研究框架。
