跳动城乡网生物过程依赖于拼图碎片的拼凑和相互作用。在特定条件下，这些相互作用可以在没有外部输入的情况下创造出新的东西。这被称为自组织，就像鱼群或鸟群中看到的那样。有趣的是，哺乳动物胚胎的发育方式也类似。
在《美国科学院院刊》上发表的一篇文章中，奥地利科学技术研究所 (ISTA) 的 David Brückner 和 Gašper Tkačik 介绍了一个数学框架，用于分析这一过程并预测其最佳参数。这种方法代表了一种统一的数学语言，用于描述胚胎发育及以后的生物自组织。
当胚胎发育时，需要产生多种具有不同功能的细胞。例如，一些细胞会成为眼睛的一部分并记录视觉刺激，而另一些细胞会成为肠道的一部分并帮助消化食物。为了确定自己的角色，细胞会不断地使用化学信号相互交流。
由于这种沟通，在发育过程中，一切都同步协调，但没有中央控制负责。细胞集体是自组织的，由个体之间的相互作用协调。每个细胞都会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。
自组装胚胎
在自然界中，自组织无处不在：我们可以在鱼群、鸟群或昆虫群体中观察到它，甚至可以在细胞调节的微观过程中观察到它。NOMIS 研究员兼 ISTA 博士后 David Brückner 有兴趣从理论的角度更好地理解这些过程。他的重点是胚胎发育——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，其中包含具有许多不同特征的器官。“对于这一发育过程的许多步骤，系统没有外部信号来指导它做什么。系统有一种内在属性，可以让它建立模式和结构，”布鲁克纳说。“这种内在属性就是所谓的自组织。”
即使存在不可预测的因素(物理学家称之为“噪音”)，胚胎模式仍能可靠且一致地形成。近年来，科学家对推动这一复杂过程的分子细节有了更深入的了解。然而，缺乏一个数学框架来分析和量化其表现。信息论语言提供了答案。
David Brückner 和 Gašper Tkačik 正在奥地利科学技术研究所 (ISTA) 进行研究。图片来源：Nadine Poncioni，ISTA
桥接专业知识
“信息论是一种通用语言，用于量化统计集合中的结构和规律，统计集合是同一过程的重复集合。胚胎发育可以看作是一个可重复产生非常相似但不完全相同的功能性生物的过程，”ISTA 教授、该领域专家 Gašper Tkačik 说道。
Tkačik 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子中，指导细胞采取什么行动。”
由于 Tkačik 团队已经为该系统开发了一个框架，Brückner 也开始为哺乳动物胚胎开发一个框架。“借助 Gašper 在信息理论方面的专业知识，我们能够将其整合在一起，”Brückner 补充道。
超越胚胎发育?
在胚胎发育过程中，细胞会交换信号，并不断受到随机、不可预测的波动(噪音)的影响。因此，细胞相互作用必须是稳健的。新框架衡量了如何优化这些相互作用以抵御噪音。利用相互作用细胞的计算机模拟，科学家们探索了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依赖化学和机械信号传导的不同发育模型上取得了成功，但要将其应用于发育系统的实验记录，还需要做更多的工作。
Tkačik 表示：“未来我们希望研究具有更多参数和维度的更复杂模型。”
布鲁克纳补充道：“通过量化更复杂的模型，我们还可以将我们的框架应用于实验测量的胚胎发育过程中化学信号的模式。”为此，这两位理论科学家将与实验学家合作。
