创新背景

每个细胞都有其精确的位置和功能，并且能够与其他各种细胞类型无缝集成，以执行身体正确发育和功能所需的任务。为了了解细胞如何获得其最初的特殊身份和组织，大多数研究都集中在胚胎发育的最早阶段的“原肠胚形成”过程。

原肠胚是指具双胚层或三胚层的动物胚胎，是动物胚胎发育的一个重要阶段，由囊胚发育而来。囊胚的部分细胞通过种种方式迁移到内部，形成双胚层或三胚层的原肠胚。在此期间，新的细胞类型以惊人的速度形成。单个细胞的集合适应其预期的作用，同时分裂和繁殖成数百个，然后是数千个，最终是数百万个细胞，从而产生了身体蓝图的基本脚手架，并为所有器官和系统的发展奠定了基础。

创新过程

成熟细胞通常根据环境的线索和触发因素缓慢变化和再生。相比之下，胚胎原肠胚形成非常快速且以完全可重复的方式发生。科学家因此不断探索细胞的增殖和分化，并寻找一些细胞成为功能齐全的大脑，而另一些细胞则被引导构成免疫系统的原因。然而，由于哺乳动物胚胎是一个微小的，快速生长的结构，受到母亲子宫的保护，原肠胚形成机制的相关研究一次只能专注于其每个单独的方面，而不是捕捉整个过程。

魏茨曼科学研究所的研究人员通过采用最先进的单细胞遗传分析技术，设计了一种追踪小鼠模型中原肠胚形成复杂过程的新方法。使用高级数学建模，创建来自众多生物体的细胞类型的详细图谱，得到一个由离散的细胞“框架”组成的“运动图片”，描述了胚胎细胞如何随着时间的推移而一起变化。

单细胞遗传分析通常会影响细胞的正常功能，研究人员由此对细胞的发育和分化方式进行大量猜测，比如假设细胞从其基线活动到完全分化的最短路线。研究人员表示，如果将原肠胚比作舞蹈，以前的模型是假设每个舞者或细胞都是独奏者，寻找进入舞台和离开舞台之间的最短路径。

在这项新研究中，研究人员创建了从数千个单细胞获得的遗传数据和整个胚胎的物理测量的独特组合。这可以通过识别胚胎形态的微小变化（发育生物学中的常见做法）以及考虑每个单独胚胎中细胞的基因表达谱的数学建模来重建发育过程。

一些细胞，例如那些参与重要器官发育的细胞，会立即磨练其靶标，但其他细胞具有相当广泛的发育潜力。这加强了细胞通过连续转化的动态过程分化的假设，并且它们通常不仅在其存在的早期而且在其存在的后期都具有这种转化的巨大潜力。这些细胞的转化潜力作为复合结构的一部分存在，其中每个细胞都为这个动态的多细胞“生态系统”贡献自己的部分。在这种情况下，细胞与邻居进行给予和接受，而单个细胞的转录景观适应不断变化的环境。

新模型在某种程度上将原肠胚比作一个精湛的舞蹈数字，其中每个舞者或单个细胞都以未知的轨迹移动，但通常与其他细胞一致。它们一起完美和谐地形成协调的合奏，最终发展成功能性组织和器官，这种编排在生命的开始过程中准确地重复了自己。

研究原肠胚形成的新模型提供了一个先进的工具包，使这个复杂的过程更加平易近人，从而使研究人员能够更好地跟踪细胞的发育和分化。解决诸如细胞为什么以及如何在组织中发挥其特定作用，以及它们如何影响环境并受到环境影响等问题，可以提高科学家对细胞工作机制的理解。

创新关键点

使用高级数学建模，创建来自众多生物体的细胞类型的详细图谱，探究“原肠胚”的发育过程，精准跟踪细胞的发育和分化。