這一方法未來(lái)將有助于識(shí)別與哮喘、癌癥等早發(fā)性疾病相關(guān)的細(xì)胞行為。

生命最初的脈動(dòng)——細(xì)胞精密而有序的運(yùn)動(dòng)，構(gòu)建出一個(gè)新生命體——向來(lái)如同隱秘的奇跡。如今，麻省理工學(xué)院的工程師開(kāi)發(fā)出一種深度學(xué)習(xí)模型，能夠預(yù)測(cè)胚胎從簡(jiǎn)單細(xì)胞團(tuán)發(fā)展為復(fù)雜生命體的過(guò)程中，數(shù)千個(gè)細(xì)胞的精確運(yùn)動(dòng)、分裂和重組。

該模型目前為果蠅最早期的發(fā)育階段提供了一個(gè)觀察窗口。未來(lái)，它或可用于預(yù)測(cè)更復(fù)雜的組織、器官乃至生物體的發(fā)育過(guò)程。

長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這項(xiàng)技術(shù)將幫助識(shí)別與哮喘、癌癥等早發(fā)性疾病相關(guān)的細(xì)胞活動(dòng)模式。

"活體成像顯示，哮喘組織的細(xì)胞動(dòng)力學(xué)行為有所不同，"論文共同作者、麻省理工學(xué)院研究生楊海倩（音譯）指出，"我們?cè)O(shè)想，該模型能夠捕捉這些細(xì)微的動(dòng)態(tài)差異，更全面地呈現(xiàn)組織行為，從而有望改進(jìn)診斷或藥物篩選測(cè)試。"

細(xì)胞級(jí)動(dòng)力學(xué)

該深度學(xué)習(xí)模型可追蹤果蠅發(fā)育過(guò)程中細(xì)胞的位置、相鄰細(xì)胞狀態(tài)以及細(xì)胞是否正在折疊或分裂。研究依賴于高質(zhì)量的單細(xì)胞分辨率視頻，這些視頻記錄了每個(gè)初始約含5000個(gè)細(xì)胞的果蠅胚胎發(fā)育過(guò)程。

特別值得注意的是，該模型通過(guò)學(xué)習(xí)果蠅原腸胚形成階段的細(xì)胞變化進(jìn)行訓(xùn)練。

"這個(gè)最初階段稱為原腸胚形成，大約持續(xù)一小時(shí)，期間單個(gè)細(xì)胞以分鐘為單位進(jìn)行重組，"研究作者、麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系副教授郭明（音譯）解釋道。

令人驚嘆的是，該模型能以90%的準(zhǔn)確率預(yù)測(cè)發(fā)育第一小時(shí)內(nèi)每個(gè)細(xì)胞的折疊、移動(dòng)和重組過(guò)程。此外，模型還展現(xiàn)出驚人的精確度，不僅能預(yù)測(cè)將發(fā)生的細(xì)胞事件（如折疊或脫離），還能預(yù)測(cè)事件發(fā)生的具體分鐘時(shí)刻。

"通過(guò)精確模擬這一早期階段，我們可以開(kāi)始揭示局部細(xì)胞相互作用如何形成整體組織和生物體，"郭明補(bǔ)充道。

建模技術(shù)

通常，模擬胚胎發(fā)育的標(biāo)準(zhǔn)方法采用"點(diǎn)云"表示（將細(xì)胞視為移動(dòng)點(diǎn)）或"泡沫"模型（將細(xì)胞視為移動(dòng)的氣泡）。但研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將兩種方法結(jié)合為單一的"雙圖"結(jié)構(gòu)，從而能更細(xì)致地捕捉細(xì)胞連接與重組的結(jié)構(gòu)信息。

團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將該模型的預(yù)測(cè)能力拓展至斑馬魚、小鼠等其他物種的發(fā)育過(guò)程，甚至可能應(yīng)用于人類組織和器官。當(dāng)前唯一的限制在于高質(zhì)量數(shù)據(jù)的獲取。

"從模型角度看，我認(rèn)為它已經(jīng)準(zhǔn)備就緒。真正的瓶頸在于數(shù)據(jù)。如果我們能獲得特定組織的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，該模型可以直接應(yīng)用于預(yù)測(cè)更多結(jié)構(gòu)的發(fā)育，"郭明強(qiáng)調(diào)。

生命進(jìn)程的復(fù)雜之旅始于單個(gè)細(xì)胞，繼而由數(shù)千細(xì)胞形成組織與器官。這一過(guò)程需要細(xì)胞層面的完美協(xié)調(diào)。

然而，即使是細(xì)胞分裂、折疊或重組中的微小差錯(cuò)，也可能破壞正常發(fā)育。這些早期錯(cuò)誤可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果，常常引發(fā)哮喘、癌癥或其他異常等早發(fā)性疾病。

這項(xiàng)新技術(shù)有望揭示易患病組織的早期發(fā)育過(guò)程，最終促成更有效、更及時(shí)的干預(yù)措施。

該研究已于12月15日發(fā)表于《自然·方法學(xué)》期刊。

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