新的数学框架揭示了细胞如何交流以形成胚胎

生物过程依赖于拼图组合在一起并相互作用。在特定条件下，这些交互可以在没有外部输入的情况下创造新的东西。这被称为自组织，就像一群鱼或一群鸟所看到的那样。有趣的是，哺乳动物的胚胎发育相似

在《美国国家科学院院刊》上发表的一篇文章中，David Brü；ckner和Ga&scaron；每个Tkač；奥地利科学技术研究所（ISTA）的ik介绍了一个数学框架，该框架分析了这一过程并预测了其最佳参数。这种方法代表了一种统一的数学语言来描述胚胎发育及以后的生物自组织

当胚胎发育时，需要产生许多具有不同功能的细胞。例如，一些细胞将成为眼睛的一部分并记录视觉刺激，而另一些细胞将是肠道的一部分，帮助消化食物。为了确定它们的作用，细胞不断地利用化学信号相互交流

由于这种沟通，在开发过程中，一切都很好地同步和协调，但没有中央控制对此负责。细胞集体是由个体之间的相互作用自组织和协调的。每个细胞对其邻居的信号作出反应。基于这种自组织，哺乳动物胚胎从单个受精卵细胞发育成多细胞生物

在自然界中，自组织无处不在：我们可以在鱼群、鸟群或昆虫群落中观察到它，甚至在细胞调节的微观过程中也可以观察到它。NOMIS研究员和ISTA博士后David Brü；ckner有兴趣从理论的角度更好地理解这些过程。他的重点在于胚胎发育；这是一个由遗传学和细胞相互交流控制的复杂过程

在胚胎发育过程中，单个受精细胞会变成多细胞胚胎，其中包含许多不同特征的器官。Brü说：“在这个发展过程中的许多步骤中，系统没有外在的信号来指导它做什么。系统有一个内在的特性，允许它建立模式和结构。”；ckner。“内在特性就是所谓的自组织。”

即使存在不可预测的因素&mdash；物理学家称之为“噪音”&mdash；胚胎图案可靠且一致地形成。近年来，科学家们对推动这一复杂过程的分子细节有了更深入的了解。然而，缺乏分析和量化其性能的数学框架。信息论的语言提供了答案

衔接专业知识

“信息论是一种通用的语言，用于量化统计集合的结构和规律性，统计集合是同一过程的复制集合。胚胎发育可以被视为一个可复制地产生非常相似但不完全相同的功能生物体的过程，”Ga&scaron说；每个Tkač；ik，ISTA教授和该领域的专家

Tkač；ik一直在研究信息在生物系统中是如何处理的，例如在苍蝇胚胎中。“在早期的苍蝇胚胎中，模式不是自组织的，”他继续说道。“母蝇将化学物质放入卵中，指导细胞采取什么行动。”

如Tkač；ik集团已经为这个系统开发了一个框架Brü；ckner也为哺乳动物胚胎开发了一个。“凭借Ga&scaron；per在信息理论方面的专业知识，我们能够将其整合在一起，”Brü；ckner补充道

在胚胎发育过程中，细胞交换信号，并不断受到随机、不可预测的波动（噪音）的影响。因此，细胞间的相互作用必须是稳健的。新的框架衡量了这些相互作用是如何被优化以承受噪音的。通过对相互作用细胞的计算机模拟，科学家们探索了一个系统在引入波动的情况下仍能获得稳定最终结果的条件

尽管该框架已被证明在三种不同的发育模型上是成功的，这些模型都依赖于化学和机械信号，但还需要额外的工作来将其应用于发育系统的实验记录

“未来，我们希望研究具有更多参数和维度的更复杂的模型，”Tkač；ik说