從混亂到結構：一堆看似雜亂無章的細胞如何繼續形成強大的胚胎

將液體移入微小的試管中，分析大量資料集，仔細研究研究出版物？但打破這個慣例是至關重要的。遠離平常工作環境的時間可以激發創意。例如，實驗室靜修會提供了一個很好的環境，研究人員可以與其他同行交流，通常會帶來新的合作。

奧地利科學技術研究所 (ISTA) 的 Bernat Corominas-Murtra 和 Edouard Hannezo 的情況就是後者。

Corominas-Murtra 對西班牙合作靜修研究小組海報會議上展示的資料集著迷，並與荷蘭烏得勒支 Hubrecht 研究所 Takashi Hiiragi 教授研究小組的博士後研究員 Dimitri Fabrèges 展開了熱烈的討論。最初的對話現在變成了出版品在科學。

國際研究團隊建立了早期哺乳動物形態發生（有機體發育形狀和結構的過程）的綜合圖譜，分析了小鼠、兔子和猴子胚胎在空間和時間上的發育。

根據這張圖譜，他們發現細胞分裂和運動等單一事件是高度混亂的，但胚胎作為一個整體最終看起來彼此非常相似。透過這個資料集，他們提出了一個物理模型來解釋哺乳動物胚胎如何從混沌中建構結構。

從一到多

在動物中，胚胎發育開始於已受精。此事件觸發一系列連續的細胞分裂，稱為分裂。簡而言之，一個細胞分裂成兩個，然後兩個分裂成四個，四個分裂成八個，依此類推。最終，大部分的細胞形成一個非常有組織的結構，稱為囊胚，所有未來器官和組織都是從囊胚發育而來的。整個過程稱為形態發生。

「胚胎發育的這些早期步驟是關鍵，因為它們為所有後續發育過程奠定了基礎，」漢內佐解釋道。

例如，在某些動物中，線蟲是一種透明的蛔蟲，是發育生物學家研究最多的模式生物之一，早期胚胎的分裂受到非常好的調控，並且在不同胚胎中以相同的方式定向，從而產生了生物體它們都有相同數量的細胞。

然而，在哺乳動物物種中，分裂似乎在時間和方向上都更加隨機。這就提出了一個問題：哺乳類動物的繁殖能力如何？儘管存在這種障礙，但仍繼續進行。

詳細的胚胎圖

為了解決這個問題，Hiiragi 團隊著手對許多不同的胚胎進行成像和定量分析，以比較從小鼠到兔子和猴子等不同哺乳動物物種內部和之間的相似性。 Dimitri Fabrèges 及其同事創建了一個所謂的「形態圖」——用於可視化高維形態資料的地圖。

「這是一個成像分析管道，顯示胚胎在時間和空間上的行為？胚胎形態發生的精確圖譜，」漢內佐解釋。

此圖譜使科學家能夠透過解決胚胎間發育變異等問題來定量分析發育過程。透過這個資料集，科學家們能夠定義「正常」形態發生的樣子。

法布雷熱在西班牙的實驗室靜修處展示了形態圖。數據顯示，小鼠、兔子和猴子受精後的第一次分裂不受調控。細胞隨機分裂，直到達到八細胞階段，在這個階段，所有胚胎突然開始看起來都一樣。

「在第一階段看起來非常不同之後，胚胎似乎在八細胞階段結束時傾向於彼此的形狀，」漢內佐繼續說道。但怎麼會呢？是什麼為這種混亂帶來了結構？

魔術方塊胚胎細胞簇優化其堆積

科羅米納斯-穆特拉 (Corominas-Murtra) 與漢內佐 (Hannezo)，對這個資料集著迷，並開始從理論角度理解這個過程。

然而，胚胎的形狀非常複雜，因此很難確定兩個胚胎的相似或差異意味著什麼。科學家發現，只需研究細胞間接觸的配置，他們就可以有效地了解胚胎結構的全部複雜性。

「我們認為，透過了解細胞的排列或了解哪些細胞在物理上相互連接，我們可以得出有關胚胎形態的大部分重要細節？類似於社交網絡中的連接。這種方法顯著簡化了不同細胞之間的數據分析和比較。

利用這些訊息，科學家們創建了一個簡單的了解胚胎如何匯聚成可複製的形狀。該模型表明，物理定律驅動胚胎形成哺乳動物共有的特定形態。

透過破壞大多數細胞排列（除了少數降低胚胎表面能的選擇性細胞排列）的穩定性，細胞之間的物理相互作用可以引導形成確定的形狀。

換句話說，細胞傾向於越來越黏在一起，這個看似簡單的過程實際上驅動胚胎透過連續的重新排列達到最佳的排列。這就像胚胎在解決自己的魔術方塊一樣。

沒有混亂，沒有結構

這些結果詳細介紹了哺乳動物胚胎的發育是如何受變異性和穩健性控制的。沒有混亂，就沒有結構；沒有混亂，就沒有結構；沒有混亂，就沒有結構。一個需要另一個。兩者都是構成「正常」發展的重要組成部分。

「我們終於開始擁有分析形態發生變異性的工具，這對於理解發育穩健性機制至關重要，」Hannezo 總結道。隨機性似乎是生活世界複雜性產生的主要力量。

透過更多地了解正常情況，科學家們還可以深入了解異常情況。這對於疾病研究、再生醫學或生育治療等領域非常有幫助。未來，這些知識可以幫助選擇最健康的胚胎進行體外受精（IVF），從而提高植入成功率。