在早期发育过程中，组织和器官通过成千上万个细胞的移动、分裂和生长而逐渐成形。某机构工程师团队现已开发出一种方法，能够以分钟级精度预测果蝇在最早生长阶段中单个细胞如何折叠、分裂和重排。该新方法有朝一日或可应用于预测更复杂组织、器官和生物体的发育，并可能帮助科学家识别与早发疾病（如哮喘和癌症）相对应的细胞模式。
在发表于《自然·方法》期刊的一项研究中，该团队提出了一种新型深度学习模型。该模型能够学习并随后预测果蝇发育过程中单个细胞某些几何属性将如何变化。模型记录并追踪细胞的属性，例如其位置，以及在给定时刻是否与相邻细胞接触。
研究团队将该模型应用于发育中果蝇胚胎的视频，每个胚胎初始时包含约5000个细胞。他们发现，该模型能够以90%的准确率预测这5000个细胞在发育第一个小时内（胚胎从光滑均匀形态转变为更明确的结构和特征）每分钟如何折叠、移动和重排。
论文作者、某机构机械工程副教授明·郭表示：“这一初始阶段被称为原肠胚形成，大约持续一小时，期间单个细胞在数分钟的时间尺度上发生重排。通过精确模拟这一早期阶段，我们可以开始揭示局部细胞相互作用如何产生全局组织和生物体。”
研究人员希望将该模型应用于预测其他物种（如斑马鱼和小鼠）的逐细胞发育过程，进而识别跨物种共有的模式。该团队还设想，该方法可用于辨别疾病的早期模式，例如哮喘。哮喘患者的肺组织与健康肺组织存在显著差异。易患哮喘的组织最初如何发育是一个未知过程，团队的新方法可能揭示这一过程。
共同作者、某机构研究生杨海谦说：“哮喘组织在活体成像中显示出不同的细胞动力学。我们设想，该模型可以捕捉这些微妙的动力学差异，并提供更全面的组织行为表征，可能改进诊断或药物筛选方法。”
点云与泡沫
科学家通常用两种方式之一模拟胚胎发育：作为点云（每个点代表一个随时间移动的单个细胞）；或作为“泡沫”（将单个细胞表示为相互滑动和挤压的气泡，类似于剃须泡沫中的气泡）。郭和杨没有在两种方法之间做选择，而是将两者结合。
杨解释说：“关于是建模为点云还是泡沫存在争论。但两者本质上都是对同一底层图的不同建模方式，而图是表示活组织的优雅方法。通过将两者结合为一个图，我们可以突显更多结构信息，例如细胞随时间重排时彼此如何连接。”
新模型的核心是一个“双图”结构，将发育中的胚胎同时表示为移动的点和气泡。通过这种双重表示，研究人员希望捕捉单个细胞更详细的几何属性，例如细胞核的位置、细胞是否与相邻细胞接触、以及在给定时刻是否正在折叠或分裂。
作为概念验证，团队训练新模型来“学习”果蝇原肠胚形成过程中单个细胞如何随时间变化。
郭说：“此阶段果蝇的整体形状大致为椭球体，但在原肠胚形成过程中表面发生着巨大的动力学变化。它从完全光滑变为在不同角度形成多个褶皱。我们希望逐时刻、逐细胞地预测所有这些动力学。”
时间与地点
在新研究中，研究人员将新模型应用于其合作者提供的果蝇原肠胚形成过程的高质量视频。这些视频是发育中果蝇的一小时记录，具有单细胞分辨率。此外，视频包含单个细胞边缘和细胞核的标注——这是极其详细且难以获得的数据。
杨说：“这些视频质量极高。这种数据非常罕见，能以相当快的帧速率获得整个3D体积的亚微米分辨率。”
团队使用三个果蝇胚胎视频（共四个）的数据训练新模型，使模型能够“学习”胚胎发育过程中单个细胞如何相互作用和变化。然后，他们在一个全新的果蝇视频上测试模型，发现该模型能够高精度地预测胚胎中大多数（5000个）细胞每分钟的变化。
具体而言，该模型预测单个细胞属性（例如是否会折叠、分裂，或继续与相邻细胞共享边界）的准确率约为90%。
郭说：“我们最终不仅预测这些事情是否会发生，还能预测何时发生。例如，这个细胞会在七分钟后还是八分钟后脱离那个细胞？我们可以判断何时会发生。”
团队认为，原则上，新模型及双图方法应该能够预测其他多细胞系统（如更复杂的物种，甚至某些人类组织和器官）的逐细胞发育。限制因素在于高质量视频数据的可用性。
郭表示：“从模型角度来看，我认为已经准备好了。真正的瓶颈在于数据。如果我们有特定组织的优质数据，该模型可直接应用于预测更多结构的发育。”
本研究部分得到美国国立卫生研究院的资助。FINISHED
