胚胎从一小簇干细胞发育而来，这些曾经是"空白状态"的细胞开始承担更专业的角色，如脑细胞、肝细胞或肌肉细胞，并自我组织成三维结构，例如组织和器官。
每个细胞的命运——它将成为哪种专业细胞——取决于该细胞中哪些基因被开启或关闭。这些基因活动模式塑造了细胞的结构和功能，使其能够在身体中承担特定角色。
但这一决定并非由单个细胞自行决定。细胞不断向邻近细胞发送和接收化学信号，这些信号帮助它们理解自己所处的位置、发育的阶段以及应该成为什么。这些信息通过被称为信号通路的多步骤序列传播，将外部信号转化为细胞内基因活动的具体变化。
对研究人员来说，能够追溯细胞所接收到的指令序列，将为理解组织如何发育以及这些过程在疾病中如何出错提供强有力的方法。
但这一直难以实现，因为科学家长期以来假设信号通路的效应在不同细胞类型之间差异很大，这意味着他们需要在每种细胞类型中分别绘制每条通路的图谱——这是一个艰苦而繁琐的过程。
现在，在一项由麻省理工学院生物学助理教授、怀特黑德生物医学研究所成员李璞琳（音译）和研究生尼古拉斯·哈钦斯领导的新研究中，研究人员发现每条信号通路都会留下独特的"指纹"——一种反映细胞所遇到特定信号的独特基因活动模式。
重要的是，对于同一条信号通路，这些指纹在不同细胞类型之间是一致的，这意味着科学家无需分别绘制每种细胞类型的图谱，而是可以利用这些通路特异性的指纹，在多种细胞类型中重建信号历史。
这一发现得益于一个名为IRIS的机器学习模型。该模型能够检测不同信号通路的指纹，并精确定位细胞在胚胎发育不同阶段所接收到的信号，即使是它从未遇到过的细胞类型也能做到。
这种人工智能驱动的方法是对传统方法的重大突破，传统方法要求研究人员对每种可能的细胞类型中的每条通路进行实验测试，而新方法则开启了以前所未有的规模全面绘制小鼠或人类胚胎中每个细胞信号历史的可能性。
"想想像Siri这样的语音识别系统，它们主要用英语训练，但随后利用这种训练来帮助识别其他语言，"李璞琳说。"这被称为迁移学习，这也是IRIS能够在许多不同细胞类型中发挥作用的原因。"
研究人员详细的开放获取研究成果于9月8日发表在《自然·方法》期刊上，这可能加速用于再生医学的干细胞工程，并改善用于研究疾病机制和测试新药的类器官——模拟真实器官的微型三维模型——的制备。这是因为一旦研究人员了解了驱动干细胞成为特定细胞类型的信号模式，他们就可以在实验室或医疗环境中重现这些信号，从而控制干细胞的命运。
IRIS是一个基于神经网络的模型，本质上是一个人工智能驱动的系统，旨在识别复杂数据中的模式，类似于我们大脑发现模式的方式。它检查细胞的整体基因活动，并估计在发育过程的特定时间哪些信号通路可能处于"开启"状态。
李璞琳和哈钦斯用一个大型实验数据集训练了IRIS，该数据集测量了数千个人类胚胎干细胞在发育多个阶段对六种主要信号通路的数十种组合的反应方式。这创建了一个关于信号组合如何影响细胞行为的全面图谱或图集。
随后，团队使用来自小鼠胚胎原肠胚形成阶段的单细胞测试了IRIS，这个阶段细胞正迅速分化为不同的命运。IRIS能够准确预测特定信号通路何时何地会在注定成为心脏、肠道、肌肉和脊髓组织一部分的细胞中激活。这种信号分子的变化正是引导细胞在正确位置形成正确结构的原因。
通过这种方法，科学家不仅能开始理解细胞间通信的基本原理，还能获得在实验室中引导干细胞向特定功能性细胞类型发展的实用路线图。
当研究人员使用IRIS来识别创建肺部发育所需关键细胞类型所需的信号时，该模型预测激活一条特定的信号通路将促进肺部特异性发育。小鼠胚胎实验证实了该模型的预测。通过识别驱动肺细胞发育的精确信号组合，他们可以更可靠地生成准确的实验室培养肺组织模型。
"通过这些方式，IRIS正在帮助我们以比实际通过实验所能实现的速度更快地解码细胞间相互交流的语言，"哈钦斯说。
这些改进的模型将使研究人员能够研究哮喘、肺癌和肺纤维化等疾病，在这些疾病中，肺组织会出现疤痕，通常原因不明。他们随后可以利用这些模型测试潜在的治疗方法，并最终设计出能够修复受损组织的再生疗法。
Q&A
Q1：IRIS模型是什么？它能做什么？
A：IRIS是麻省理工学院研究人员开发的基于神经网络的机器学习模型，能够检测细胞信号通路留下的独特基因活动"指纹"，精确定位细胞在发育不同阶段接收到的信号，即使面对从未遇到过的细胞类型也能做出预测。
Q2：IRIS模型对医学研究有什么实际用途？
A：IRIS可以加速用于再生医学的干细胞工程，改善类器官的制备，帮助研究人员了解驱动干细胞分化为特定细胞类型的信号模式，从而在实验室中控制干细胞命运，用于研究哮喘、肺癌、肺纤维化等疾病并测试潜在疗法。
Q3：科学家如何验证IRIS模型的预测准确性？
A：研究团队用小鼠胚胎原肠胚形成阶段的单细胞测试IRIS，结果显示该模型能准确预测心脏、肠道、肌肉和脊髓组织细胞中特定信号通路的激活时间和位置。此外，在肺部细胞发育的预测中，模型结果也通过小鼠胚胎实验得到了证实。
