Review: How dynamic prestress governs the shape of living systems, from the subcellular to tissue scale
细胞和组织改变形状以执行其功能和在病理过程中。在大多数情况下，这些变形是从系统本身内部驱动的。这是允许的一系列分子演员，如活性交联剂和离子泵，其活动是生物控制的空间和时间。由此产生的应力在复杂和动态的结构（如网络或细胞聚集体）中传播。从力学的角度来看，这些效应可以被视为由收缩或生长活动产生的预应力或预应变。在这篇评论中，我们提出了这个概念的预应力和理论工具可概念化的静态和动态的生活系统。然后，我们描述了一系列的现象，其中预应力控制形状变化的生物聚合物网络（特别是肌动球蛋白细胞骨架和纤维组织）和cellularised组织。尽管规模和组织的多样性，我们证明，这些现象源于有限数量的预应力，这可以被归类为异质性，各向异性或差分的空间分布。我们认为，除了生长和收缩，第三种类型的预应力-拓扑预应力-可以从改变组织的微观结构的活动过程。
2022-09-07 physics.bio-ph
Two models of protoplasm microstructure of the living cell in resting state
为了发展活细胞的热力学分析方法，提出了两种静息态活细胞原生质微结构模型。这两种模型都是基于Ling胞腔作为一个统计力学系统是非遍历的假设。在第一个范德瓦尔斯模型中，蛋白质-蛋白质相互作用，形成细胞功能的物理基础，被认为是至关重要的相互作用。假设蛋白质分子位于某个空间晶格（细胞的Ling模型）的点上，它们在平衡态下聚集成聚集体，对应于死亡的原生质。在第二个模型中，我们考虑了蛋白质在静止状态下的构象和细胞从静止状态到平衡态（死亡原生质）时的构象变化。模型的研究和它们的特性的比较表明，方便的工具来定义所考虑的系统的能量最小值是一个描述超流玻色气体的蛋白质构型空间的哈密顿量。我们的方法使我们能够以一种新的方式定义活的（处于静止状态）和死的原生质的热力学特征：在第一种情况下，系统的特征在于蛋白质的未折叠状态，在第二种情况下，蛋白质被折叠和聚集。所得到的结果证明了我们的方法的适用性，一个细胞的Ling模型的热力学特性。
2012-05-27 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
A translation of Maurice Philippson's "Principles of the Electrical Resistance of Living Tissue"
在500 Hz ~ 3 MHz频率范围内测量了马铃薯和豚鼠活体组织的阻抗。在一般情况下，阻抗的大小被发现单调地随着频率的增加而减少。这意味着组织中每个细胞的膜就像一个电容器，与膜电阻并联。膜电阻和电容一起与原生质电阻串联。在实验中，观察到豚鼠死亡后，其肌肉的膜电阻从1.49千欧下降到0.79千欧，而原生质电阻保持在0.11千欧左右。相比之下，当马铃薯开始发芽时，原生质电阻从0.25千欧下降到0.10千欧，而其膜电阻保持在4千欧左右。
2020-10-28 physics.bio-ph q-bio.CB
Two boundary model for freezing front propagation in biological tissue
活组织对强加热或冷却效应的响应可导致血液流速变化一个数量级。一个数学模型的冷冻活组织的制定考虑到非局部温度依赖性的血液流速时，在组织中的温度分布基本上是不均匀的，如在冷冻手术。
1998-08-24 nlin.PS patt-sol physics.bio-ph
Dynamics of Wound Closure in Living Nematic Epithelia
University of Bristol（布里斯托大学）；National University of Singapore（新加坡国立大学）；Isaac Newton Institute for Mathematical Sciences（艾萨克·牛顿数学科学研究所）
研究活体非易变上皮层伤口闭合的动力学，发现活性应力的收缩性加速闭合，伸展性则减缓闭合，并揭示拓扑缺陷在闭合过程中的作用。
2026-02-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
Microfluidic platform for biomimetic tissue design and multiscale rheological characterization
Laboratoire Charles Coulomb（夏尔·库隆实验室）；ULB-TIPs（布鲁塞尔自由大学技术物理研究所）
本文开发了一种微流控平台，通过受控组装巨型单层囊泡构建仿生原组织，并在局部与整体多尺度上揭示粘附水平如何决定其从纯粘性到粘弹性的流变行为，为理解活体组织流动动力学提供了框架。
2025-11-06 cond-mat.soft physics.bio-ph
Quantifying brain microstructure with diffusion MRI: Theory and parameter estimation
我们回顾，系统化和讨论模型的扩散在神经元组织中，通过把它们放在一个总体的物理背景下，粗粒化的扩散长度不断增加的规模。从这个角度来看，我们认为量化大脑微观结构的研究沿着三条主要途径进行。第一种途径集中在瞬态，或时间依赖性，扩散的影响。这些效应意味着组织结构的逐渐粗粒化，这在不同的脑组织隔室中发生质的不同。我们表明，研究的瞬态效应有可能量化的相关长度尺度的神经元组织，如包装相关长度的神经元纤维，神经元串珠的程度，和车厢大小。第二种途径对应于长时间限制，当观察到的信号可以近似为多个非交换各向异性高斯分量的总和。这里的挑战在于参数估计和解决其隐藏的退化。第三种途径采用多个扩散编码技术，能够访问不包含在传统的扩散传播的信息。最后，我们展望了未来的方向，可以打开令人兴奋的组织生理学和病理学的定量标记物的设计的基础上，在无序系统的介观运输的方法。
2018-04-11 physics.bio-ph physics.med-ph
Deep and Dynamic Metabolic and Structural Imaging in Living Tissues
本研究利用多模光纤三光子激发技术，将活体组织中NAD(P)H成像深度从300微米扩展至700微米以上，并提升成像速度，为深层代谢与结构成像提供新方法。
2024-04-18 physics.bio-ph physics.optics
A tug-of-war between stretching and bending in living cell sheets
拉伸和弯曲变形之间的平衡表征薄弹性片的形状转变。当拉伸在拉伸中占主导地位时，弯曲在突然屈曲过渡后的压缩中占主导地位。最近，在悬浮的活上皮单层中的实验结果已经表明，由于分子马达在上皮的厚度$e$上产生的表面应力的不对称性，这种组织的自由边缘自发地卷曲出平面，结果在平面内拉伸片。这表明弯曲和拉伸之间的竞争决定了组织边缘的形态。在这项研究中，我们使用非欧几里德板的框架，将主动预应变和自发曲率的弹性薄壳理论。我们表明，当自发弯曲的纸张规模像$1/e$，拉伸和弯曲能量具有相同的缩放在一个消失的小厚度的限制，因此都竞争，在一种方式，是不断改变的外部张力，以定义的三维形状的组织。
2020-06-10 cond-mat.soft physics.bio-ph
Incorporating the effect of white matter microstructure in the estimation of magnetic susceptibility in ex-vivo mouse brain
本研究扩展定量磁化率成像，利用同心圆柱体模型考虑白质微结构，改善磁化率估计，并在小鼠脑实验中显示高达25%的差异，强调微结构效应不可忽视。
2023-05-16 physics.bio-ph physics.med-ph
Spatial fluctuations at vertices of epithelial layers: quantification of regulation by Rho pathway
在活体中，肌动蛋白-肌球蛋白诱导的形状波动通常通过重构凝胶在体外进行研究，其性质通过改变肌动蛋白、肌球蛋白和交联剂的浓度来控制。这种方法故意避免考虑生命系统固有的生化信号的复杂性。活细胞内的肌动球蛋白活性主要受Rho信号通路的调节，该通路由多层偶联的激活剂和抑制剂组成。我们研究这样的途径如何控制融合上皮组织的动态跟踪细胞之间的连接点的位移。使用唯象模型来分析顶点波动，我们合理化的影响，不同的Rho信号的目标上涌现的组织活动通过量化的有效扩散系数，持续时间和持续长度的波动。我们的研究结果揭示了组织内激活/抑制层与空间波动之间的意外相关性。总体而言，这项工作通过生物化学信号与介观空间波动的调节连接，具有潜在的应用于上皮组织结构重排的研究。
2018-02-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Estimations of local thermal impact on living organisms irradiated by non-thermal microwaves
求解了Pennes的生物传热微分方程和热传导方程，计算了在微波辐射下含球形包裹体的生物组织内的温度分布。它示出，在某些情况下，在组织中的一个小的夹杂物的相对温度过剩是成反比的半径，并不依赖于所施加的功率。在脉冲RF场中，该效应与脉冲周期与脉冲持续时间的比率成比例地放大。局部温度升高的速度明显超过平均值，因此瓦特重量比SAR限值可能不足以估计射频辐射的安全性，并且需要修改电磁场对热和非热生物效应的传统划分。
2013-12-19 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph
Dynamic full-field optical coherence tomography: 3D live-imaging of retinal organoids
光学相干断层扫描提供了令人震惊的机会来成像活组织的复杂结构，但缺乏功能信息。我们提出了动态全视野光学相干断层扫描成像活的人类诱导多能干细胞衍生的视网膜类器官非侵入性。产生具有与细胞器运动性相关的内源性对比度的彩色图像，具有亚微米空间分辨率和毫秒时间分辨率，开辟了一条通过其功能识别活组织中特定细胞类型的途径。
2019-12-05 eess.IV physics.bio-ph
Topology control of human cells monolayer by liquid crystal elastomer
活组织中的生物细胞形成具有局部取向有序性和拓扑缺陷的动态图案。在这里，我们展示了一种方法来生产细胞单层与预先设计的取向模式，使用人皮肤成纤维细胞（HDF）放置在光取向的液晶弹性体（LCE）。细胞的排列是由与水性细胞生长培养基接触的基底的各向异性溶胀引起的。在LCE中预先设计的图案引起细胞表型的强烈空间变化（由形状变化证明）、它们的表面密度和数量密度波动。与负强度缺陷相比，正强度缺陷的核心附近的细胞浓度显著更高。活性物质固有的缺陷对的解结合被各向异性表面锚定抑制。阵列的几何形状允许人们估计组织的弹性和表面锚定特性。所展示的模式化LCE方法可用于控制活组织中细胞的集体行为、细胞分化和组织形态发生。
2020-03-27 cond-mat.soft physics.bio-ph
From Simulated Fluids to Living Tissue: Zero-Shot Foundation Model Transfer to Perturbed Embryos
UC Santa Barbara（加州大学圣巴巴拉分校）；PolymathicAI；New York University（纽约大学）；University of Cambridge（剑桥大学）
该研究将在模拟连续系统上预训练的连续动力学基础模型Walrus微调后，在果蝇胚盘视频数据上验证其在分布内及零样本扰动下的预测能力，证明物理基础模型可迁移用于低数据形态发生模拟。
2026-10-14 cs.LG physics.bio-ph q-bio.QM
An energy landscape-based theoretical framework for understanding the emergence of functions in a living system under the dynamical component interaction
Kyoto University（京都大学）
本研究提出基于能量景观与能量率景观的理论框架，建模组分自适应行为驱动的动态相互作用，揭示组织形态变化下外力变化如何决定多组织系统功能的涌现。
2025-07-14 nlin.AO physics.bio-ph
The Larmor frequency shift of a white matter magnetic microstructure model with multiple sources
本文扩展白质磁微结构模型，纳入磁化率各向异性与球形含铁内含物，解析多来源拉莫尔频移，并通过模拟和 dMRI 数字脑体验证线性最小二乘反演可行性。
2024-03-05 physics.bio-ph physics.med-ph
Terahertz resonance response of biological tissue placed on a silicon nanostructure
我们提出了一种测量沉积在硅纳米三明治（SNS）上的DNA寡核苷酸的太赫兹（THz）共振响应的方法。结果表明，SNS设备可以用于在活体生物组织内产生太赫兹共振响应。我们提出的技术措施的纵向电导和横向电压的变化与SNS设备在霍尔几何形状。讨论了太赫兹响应的机制，与Shapiro台阶的产生模型。来自活生物组织的太赫兹共振响应将有助于肿瘤疾病的诊断，并且通常形成实际医学中的快速诊断的基础。
2020-12-01 physics.app-ph physics.bio-ph
Axonal microstructure and compartmentalization impact the orientation and time dependence of mesoscopic transverse relaxation
Aarhus University（奥尔胡斯大学）；Champalimaud Research, Champalimaud Centre for the Unknown（尚帕利莫研究中心，未知尚帕利莫中心）
研究通过理论框架和蒙特卡洛模拟，探讨轴突微结构和形态如何影响白质中宏观横向弛豫的取向和时间依赖性，揭示了分隔和真实形态对弛豫机制的作用。
2026-03-17 physics.bio-ph physics.med-ph
Rupture-Repair Cycles in Regenerating Hydra Tissues
Department of Physics and Network Biology Research Laboratories, Technion-Israel Institute of Technology（以色列理工学院物理系与网络生物学研究实验室）
研究发现水螅组织中机械诱发的钙活性控制破裂修复过程，揭示了破裂前沿在异质机械环境中的粘滞-滑动动态行为。
2026-03-02 physics.bio-ph
Imaging cellular-level brain microstructure with diffusion MRI
South China University of Technology（华南理工大学）；The First Affiliated Hospital of Sun Yat-sen University（中山大学附属第一医院）；Guangzhou First People’s Hospital, The Second Affiliated Hospital of South China University of Technology（广州市第一人民医院/南方医科大学附属广州医院）；Penn State College of Medicine（宾夕法尼亚州立大学医学院）
该研究针对深部组织无创活细胞成像的挑战，提出IDPD模型，通过多层分析工作流程实现细胞级大脑微观结构的无创成像，为评估体内活细胞功能提供新途径。
2026-09-01 physics.bio-ph physics.med-ph
Microscopic Propagator Imaging (MPI) with Diffusion MRI
University of Verona（维罗纳大学）；Technical University of Denmark（丹麦技术大学）；Copenhagen University Hospital - Amager and Hvidovre（哥本哈根大学医院阿马格和维杜夫雷院区）；Danish Research Centre for Magnetic Resonance（丹麦磁共振研究中心）
提出显微传播子成像（MPI）方法，利用球谐区域建模、信号模拟和机器学习回归提取微结构特异性指标，并在合成及人类扩散MRI数据上验证，实现与组织介观结构无关的微结构表征。
2025-02-28 cs.LG physics.bio-ph physics.med-ph
Biopolymers: life's mechanical scaffolds
构成我们身体的细胞和组织需要平衡相互矛盾的机械需求。能够承受大的机械载荷对它们的生存至关重要，但在组织生长和修复等生物过程中产生力并主动改变形状对它们同样至关重要。细胞和组织的力学由蛋白质聚合物的支架决定，分别称为细胞骨架和细胞外基质。从纯化的成分结合高分子物理概念重建的模型系统的实验已经成功地揭示了一些机制，这些机制是生命物质的矛盾力学的基础。最初的工作集中在解释普遍的功能，如在聚合物网络模型的细胞和组织的非线性弹性。然而，生命物质表现出许多先进的机械功能，这些粗粒度的理论没有捕捉到。在这篇综述中，我们专注于最近的实验和理论见解，揭示了它们的多孔结构，结构层次，瞬时交联和机械化学活性如何赋予弹性以及适应和自我修复的能力。这些物理见解提高了我们对细胞和组织生物学的理解，也为合成类生命材料提供了灵感来源。
2018-12-03 physics.bio-ph
Rotationally-invariant mapping of scalar and orientational metrics of neuronal microstructure with diffusion MRI
我们开发了一个通用的分析和数值框架，估计内和外神经突水分数和扩散系数，以及神经突取向分散，在每个成像体素。通过采用一组旋转不变量及其在扩散加权的幂中的扩展，我们分析地揭示了参数估计景观的非平凡拓扑，表明参数的多个分支几乎同样好地描述了测量，其中只有一个对应于生物物理现实。一个全面的采集表明，分支的选择在整个大脑中是不同的。我们的框架揭示了神经元组织MRI参数估计中隐藏的退化，提供了无约束或先验的全脑微结构和方向图，并将现代生物物理建模与临床MRI连接起来。
2018-04-06 physics.bio-ph physics.med-ph q-bio.NC
Quantitative Characterization of the Microstructure and Transport Properties of Biopolymer Networks
生物聚合物网络对正常和肿瘤组织中的许多生物过程具有根本重要性。在本文中，我们采用了一整套的理论和模拟技术开发的表征异质材料，以量化的微观结构和有效的扩散传输性能（扩散系数$D_e$和平均生存时间$τ$）的胶原蛋白I型网络在不同的胶原蛋白浓度。特别是，我们计算的孔隙大小的概率密度函数$P(δ)$的网络和有限尺寸的扩散粒子的有效扩散系数$D_e$的各种分析估计。有效扩散系数$D_e$的Hashin-Strikman上界和平均存活时间$τ$的孔径下界被用作基准来检验我们的解析近似和数值结果。此外，我们推广了有效的首次通过时间技术的布朗运动模拟悬浮液中的球的纤维网络的情况下，并计算相关的有效扩散系数$D_e$以及平均生存时间$τ$，这是相关的核磁共振（NMR）弛豫时间。具体而言，在我们考虑的所有分析近似中，Torquato近似为所有胶原蛋白浓度提供了最准确的$D_e$估计值。我们为不同胶原蛋白浓度下的网络制定了$τ$的通用曲线。我们应用严格的交叉属性关系来估计胶原网络的有效体积模量从这里计算的有效扩散系数的知识。
2012-03-21 cond-mat.soft physics.bio-ph
Assessment of Precision and Accuracy of Brain White Matter Microstructure using Combined Diffusion MRI and Relaxometry
本研究设计了一种结合扩散与弛豫测量的变TE MRI协议，用于评估大脑白质微结构，证明其相比仅表征扩散的协议能提供更高的敏感性、特异性及重现性。
2024-02-27 physics.bio-ph physics.med-ph
Topological transitions, turbulent-like motion and long-time-tails driven by cell division in biological tissues
活组织中的复杂时空流动模式，由主动力驱动，具有许多与惯性湍流相关的特征，即使雷诺数非常低。结合基于代理的模拟从二维上皮单层的实验数据的分析表明，细胞分裂和凋亡导致定向细胞运动数小时，导致在相邻细胞的快速拓扑结构的转变。这些转变反过来又产生长范围和长寿命的顺时针和逆时针涡，这引起了类似顺时针的流动。实验和模拟表明，在长波长的波矢量（$k$）依赖的能谱$E(k) \approx k^{-5/3}$，符合Kolmogorov标度在充分发展的惯性湍流。使用理论论证和模拟，我们表明，长寿命的旋涡导致长时间的尾巴的速度自关联函数，$C_v(t) \sim t^{-1/2}$，它具有相同的结构，在经典的二维流体，但具有不同的标度指数。
2022-11-26 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Quantitative Characterization of Brain Tissue Alterations in Brain Cancer Using Fractal, Multifractal, and IPR Metrics
Mississippi State University（密西西比州立大学）
本文提出利用分形、多分形和IPR指标定量表征脑癌组织的结构变化，以提高脑癌的显微诊断能力。
2025-12-08 physics.bio-ph physics.comp-ph physics.med-ph
Polarization-Resolved Chlorophyll Imaging for Non-Invasive Plant Tissue Assessment Using a Silicon-Rich Nitride Metalens Array
针对偏振敏感成像系统体积大的问题，提出紧凑的富硅氮化硅超透镜阵列，集成正交敏感超透镜同时捕获X/Y线偏振图像，实现植物组织高分辨率偏振分辨成像，为传统系统提供可扩展替代方案，在农业等领域有早期诊断潜力。
2025-08-19 physics.bio-ph physics.optics
Stress-dependent amplification of active forces in nonlinear elastic media
生物体中机械应力的产生在很大程度上依赖于嵌入丝状基质中的局部的、产生力的活性单元。具有固定边界的离散纤维网络的数值模拟表明，基体中的屈曲显著地放大了所产生的主动应力。在这里，我们将这一结果扩展到一个bucklable连续弹性介质受到任意的外部应力，并推导出解析表达式的活性，非线性本构关系表征的全活性介质。插入这些关系到流行的“活性凝胶”的活组织和细胞骨架的描述将使调查非线性制度以前无法访问，由于这些理论的现象学性质。
2018-05-07 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Contextual Cellular Growth (ConCeG) of neural cells for realistic grey matter tissue generation for diffusion MRI simulations
Cardiff University（卡迪夫大学）；University of Oxford（牛津大学）
针对灰质扩散MRI信号解释难题，引入ConCeG框架，结合拓扑神经元合成与空间约束生长网络，依真实神经胶质形态生成细胞构建三维多细胞灰质基质，经验证可用于扩散MRI模拟。
2026-09-23 physics.bio-ph physics.med-ph
Simultaneous estimation of attenuation and structure parameters of aggregated red blood cells from backscatter measurements
聚集红细胞的超声频率依赖性后向散射系数的分析揭示了血液结构特性的信息。在体内应用该技术的困难是由于由中间组织层引起的频率依赖性衰减，其使来自血液微结构的后向散射特性的光谱内容失真。提出了一种同时估计组织衰减和血液结构因子的优化方法。在离体实验中，当衰减在0.101 ~ 0.317 dB/cm/MHz之间，信噪比>28 dB，kR<2.7（k为波数，R为聚集半径）时，该方法给出了满意的估计，相对误差小于22%。
2008-12-20 physics.bio-ph physics.med-ph
Learnable real-time inference of molecular composition from diffuse spectroscopy of brain tissue
针对手术监测等场景下脑组织分子组成实时推断的需求，改进基于Beer-Lambert定律的可学习光谱推断方法，在真实bNIRS、HSI数据上实现了兼具传统方法精度的实时推断，还可区分脑解剖语义结构。
2024-08-15 eess.IV physics.bio-ph q-bio.QM
