从混乱到结构：一堆看似杂乱无章的细胞如何继续形成强大的胚胎

将液体移入微小的试管中，分析大量数据集，仔细研究研究出版物？所有这些任务都是科学家的一部分。但打破这个惯例是至关重要的。远离平常工作环境的时间可以激发创意。例如，实验室静修会提供了一个很好的环境，研究人员可以在这里与其他同行交流，通常会带来新的合作。

奥地利科学技术研究所 (ISTA) 的 Bernat Corominas-Murtra 和 Edouard Hannezo 的情况就是后者。

Corominas-Murtra 对西班牙合作静修研究小组海报会议上展示的数据集着迷，并与荷兰乌得勒支 Hubrecht 研究所 Takashi Hiiragi 教授研究小组的博士后研究员 Dimitri Fabrèges 展开了热烈的讨论。最初的对话现在变成了发布在科学。

国际研究小组建立了早期哺乳动物形态发生（有机体发育形状和结构的过程）的综合图谱，分析了小鼠、兔子和猴子胚胎在空间和时间上的发育情况。

根据这张图谱，他们发现细胞分裂和运动等单个事件是高度混乱的，但胚胎作为一个整体最终看起来彼此非常相似。通过这个数据集，他们提出了一个物理模型来解释哺乳动物胚胎如何从混沌中构建结构。

从一到多

在动物中，胚胎发育开始于已受精。该事件触发一系列连续的细胞分裂，称为分裂。简而言之，一个细胞分裂成两个，然后两个分裂成四个，四个分裂成八个，依此类推。最终，大部分细胞形成一个非常有组织的结构，称为囊胚，所有未来的器官和组织都是从囊胚发育而来的。整个过程称为形态发生。

“胚胎发育的这些早期步骤是关键，因为它们为所有后续发育过程奠定了基础，”汉内佐解释道。

例如，在某些动物中，线虫是一种透明的蛔虫，是发育生物学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调控，并且在不同胚胎中以相同的方式定向，从而产生了生物体它们都有相同数量的细胞。

然而，在哺乳动物物种中，分裂似乎在时间和方向上都更加随机。这就提出了一个问题：哺乳动物的繁殖能力如何？尽管存在这种障碍，但仍继续进行。

详细的胚胎图

为了解决这个问题，Hiiragi 团队着手对许多不同的胚胎进行成像和定量分析，以比较从小鼠到兔子和猴子等不同哺乳动物物种内部和之间的相似性。 Dimitri Fabrèges 及其同事创建了一个所谓的“形态图”——用于可视化高维形态数据的地图。

“这是一个成像分析管道，显示胚胎在时间和空间上的行为？胚胎形态发生的精确图谱，”汉内佐解释道。

该图谱使科学家能够通过解决胚胎间发育变异等问题来定量分析发育过程。通过这个数据集，科学家们能够定义“正常”形态发生的样子。

法布雷热在西班牙的实验室静修处展示了形态图。数据显示，小鼠、兔子和猴子受精后的第一次分裂不受调控。细胞随机分裂，直到达到八细胞阶段，在这个阶段，所有胚胎突然开始看起来都一样。

“在第一阶段看起来非常不同之后，胚胎似乎在八细胞阶段结束时趋向于彼此的形状，”汉内佐继续说道。但怎么会呢？是什么给这种混乱带来了结构？

魔方胚胎细胞簇优化其堆积

科罗米纳斯-穆特拉 (Corominas-Murtra) 和汉内佐 (Hannezo)，对这个数据集着迷，并开始从理论角度理解这个过程。

然而，胚胎的形状非常复杂，因此很难确定两个胚胎的相似或不同意味着什么。科学家们发现，只需研究细胞间接触的配置，他们就可以有效地了解胚胎结构的全部复杂性。

“我们认为，通过了解细胞的排列或了解哪些细胞在物理上相互连接，我们可以得出有关胚胎形态的大部分重要细节？类似于社交网络中的连接。这种方法显着简化了不同细胞之间的数据分析和比较。胚胎，”Corominas-Murtra 说。

利用这些信息，科学家们创建了一个简单的了解胚胎如何汇聚成可复制的形状。该模型表明，物理定律驱动胚胎形成哺乳动物共有的特定形态。

通过破坏大多数细胞排列（除了少数降低胚胎表面能的选择性细胞排列）的稳定性，细胞之间的物理相互作用可以引导形成确定的形状。

换句话说，细胞倾向于越来越粘在一起，这个看似简单的过程实际上驱动胚胎通过连续的重新排列达到最佳的排列。这就像胚胎解决自己的魔方一样。

没有混乱，没有结构

这些结果详细介绍了哺乳动物胚胎的发育是如何受变异性和稳健性控制的。没有混乱，就没有结构；没有混乱，就没有结构；没有混乱，就没有结构。一个需要另一个。两者都是构成“正常”发展的重要组成部分。

“我们终于开始拥有分析形态发生变异性的工具，这对于理解发育稳健性机制至关重要，”Hannezo 总结道。随机性似乎是生活世界复杂性产生的主要力量。

通过更多地了解正常情况，科学家们还可以深入了解异常情况。这对于疾病研究、再生医学或生育治疗等领域非常有帮助。未来，这些知识可以帮助选择最健康的胚胎进行体外受精（IVF），从而提高植入成功率。