Cell$-$cell and Cell$-$noise Interactions of Bacterial Cells in a Shallow Circular Pool and Transitions of Collective Motions
我们使用细菌物种$Bacillus$ $subtilis$实验研究了浅圆形池中细菌细胞集体运动的转变。在我们以前的论文中，我们报道了集体运动分为六个阶段的相图与两个参数，即约化细胞长度$λ$和细胞密度$ρ$。在本研究中，我们关注$λ\cong0.1$（$\equiv λ_{\rm C1}$）的急剧转变，其中$ρ$值在$random$ $motion$相和$one$ $rotational$ $motion$相之间较低。通过引入有序参数$Q$来测量细胞沿池周向的排列运动，明确表征了$λ=λ_{\rm C1}$处的转变。基于对池中单细胞轨迹的详细观察，我们验证了细胞$-$噪声相互作用的影响是广泛分布的。我们的结论是，即使在这样的随机环境中，集体运动的急剧转变所造成的细胞$-$细胞在$λ=λ_{\rm C1}$的相互作用。
2020-07-18 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Phase Diagram of Collective Motion of Bacterial Cells in a Shallow Circular Pool
利用细菌种$Bacillus$ $subtilis$系统地研究了浅圆形池中细菌细胞的集体运动。细胞长度与池直径的比率（即，减小的单元长度）在我们的实验中范围从0.06到0.43。圆形池中的细菌细胞显示出各种类型的集体运动，这取决于池中的细胞密度和缩短的细胞长度。运动分为六种类型，我们称之为随机运动、湍流运动、单向旋转运动、双向旋转运动、随机振荡运动和有序振荡运动。减少细胞长度的两个临界值进行评估，在集体运动的剧烈变化引起的。提出了一个相图，其中的六个阶段安排。
2015-10-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Collective Cell Migration: Leadership, Invasion and Segregation
许多生物过程，如胚胎发育、癌症转移或伤口愈合，都依赖于细胞的协同运动。然而，导致协调运动出现的机制在很大程度上仍未被探索。虽然已知生物分子信号传导参与大多数集体迁移的发生，但物理和机械相互作用的作用最近才被研究。在本文中，一个多功能的框架，细胞运动的实现，在硅片上，以研究一组上皮细胞的协调的最低要求。我们发现，细胞运动性和细胞-细胞机械相互作用足以产生广泛的行为，通常在体外和体内观察。细胞流、片层迁移和对领导细胞的易感性是从这些简单假设中自发出现的行为的例子，这可能解释为什么集体效应在自然界中如此普遍。该分析还为癌症转移和细胞分选提供了新的见解，特别是表明集体入侵可能是由于单个细胞在机械上无法入侵的系统中出现的协调。
2011-08-22 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.TO
Antipolar Cell-cell Adhesion-causing Collective Motility Disorder
Graduate School of Integral Life Science, Hiroshima University（广岛大学综合生命科学研究院）；Graduate School of Medical Sciences, Nagoya City University（名古屋城市大学医学院）
本研究采用细胞Potts模型，探究反极性细胞间黏附对集体细胞迁移的影响，发现其会引发集体运动紊乱并抑制集体迁移，特定运动强度下可发生脱钉转变，该紊乱可通过反极性黏附与运动持续性的协同作用解释。
2026-09-03 physics.bio-ph q-bio.CB
Emergent collective chemotaxis without single-cell gradient sensing
本研究提出一种无需单细胞梯度感知的集体趋化新机制，指出受趋化因子调控的运动接触抑制可使细胞团产生定向运动，并给出解析公式与验证方法。
2015-12-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Enhanced mechanical heterogeneity of cell collectives due to temporal fluctuations in cell elasticity
细胞是动态系统，其特征在于生物物理性质如刚度和收缩性的时间变化。最近的研究表明，肌动蛋白丝在细胞皮层（细胞膜下的蛋白质网络）中的招募和释放导致细胞在分裂前变硬，分裂后立即变软。在三维（3D）的细胞集体，目前还不清楚是否在单细胞规模的分裂过程中的刚度变化控制的空间结构和动力学在多细胞规模。这是一个需要理解的重要问题，因为细胞刚度变化在组织空间组织和癌症进展中起着重要作用。使用一个最小的三维模型，结合细胞的出生，死亡，细胞与细胞的弹性和粘附力的相互作用，我们调查的机械异质性的影响-在个别细胞刚度的变化，使肿瘤细胞的集体-肿瘤的空间组织和细胞动力学。我们发现，空间力学异质性的特点是一个球体核心组成的较硬的细胞和较软的细胞在周边出现在密集的三维细胞集体，这可能是一个多细胞肿瘤生长的一般特征。我们发现，提高空间力学异质性增强单细胞动力学和体积肿瘤生长的细胞弹性波动驱动。我们的研究结果可能对理解单细胞刚度的时空变化如何决定肿瘤的生长和扩散具有重要意义。
2022-03-03 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Curvature induces active velocity waves in rotating multicellular spheroids
不同系统的多细胞组织，如胚胎、肠道和肿瘤，依赖于细胞在3D弯曲环境中的协调迁移。在这些环境中，细胞建立超细胞运动模式，包括集体旋转和入侵。虽然这种集体模式在2D平面系统中越来越好地理解，但在3D弯曲组织中集体细胞迁移的几何和拓扑约束的后果在很大程度上是未知的。在这里，我们研究3D集体迁移乳腺细胞球体，这是一个共同的和概念上简单的弯曲几何形状。我们发现，这些旋转的球体表现出集体模式的细胞迁移的形式，沿着赤道传播的速度波的波长等于球体周长。这种波伴随着不可压缩的细胞流的模式，整个球体表面具有拓扑缺陷，如封闭的球形拓扑所示。使用一个最小的活性粒子模型，我们揭示了这种集体模式起源于一个细胞层局限于一个弯曲的表面的积极植绒行为。因此，我们的研究结果确定曲率诱导的速度波作为集体细胞迁移的通用模式，这可能会影响三维弯曲组织的动态组织。
2021-10-27 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Bursts of activity in collective cell migration
致密的单层活细胞显示出有趣的弛豫动力学，让人想起接近堵塞过渡的柔软玻璃状材料，并在空间可用时集体迁移，如伤口愈合或癌症侵袭。在这里，我们表明，集体细胞迁移发生在突发的裂缝，多孔介质中的流体前沿和铁磁畴壁的传播中记录的那些类似。与这些系统类似，活性爆发的分布显示出在不同细胞类型和在不同基质上移动的细胞中通用的标度律。入侵动力学的主要特点是定量捕获的相互作用的活性粒子在一个无序的景观移动的模型。我们的研究结果表明，活细胞的集体运动类似于相应的动力学驱动，但无生命的系统。
2016-10-25 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
The influence of cell phenotype on collective cell invasion into the extracellular matrix
该研究构建了模拟细胞外基质内细胞集体迁移的二维混合模型，通过参数扫描探究细胞表型差异对细胞集体侵入特征的影响，为相关生物医学领域研究提供参考。
2025-10-01 q-bio.CB q-bio.TO
Collective sensing of $β$-cells generates the metabolic code at optimal islet size
胰岛的主要部分由分泌胰岛素的β细胞组成，胰岛素是调节营养物质流入脊椎动物生物体中所有细胞以支持营养、管家或能量储存的关键激素。β细胞通过间隙连接和旁分泌的长距离信号传导进行直接的短程相互作用，不断地相互交流。然而，这些细胞相互作用如何形成集体感知和胰岛中导致胰岛素释放的细胞行为尚不清楚。当被特异性配体（主要是葡萄糖）刺激时，β细胞在几个时间尺度上共同响应一系列瞬时Ca $^{2+}$变化的表达。在这里，我们分析了一组钙$^{2+}$尖峰列车记录在急性啮齿动物胰腺组织切片在生理条件下。我们发现强烈相关的状态共存的共同尖峰细胞大多数弱成对的相关性广泛分布在整个胰岛。此外，集体的钙$^{2+}$峰活动在胰岛中显示开-关的不稳定性与峰幅度的缩放，和刺激依赖的自联想记忆功能。我们使用一个简单的自旋玻璃样模型的功能网络的β细胞集体来描述这些发现，并认为，钙$^{2+}$尖峰列车产生的集体感应β细胞构成的一部分，胰岛代谢代码，调节胰岛素的释放和限制胰岛的大小。
2017-10-11 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
Collective migration under hydrodynamic interactions -- a computational approach
基于基质的细胞运动性对于基本生物过程，如组织生长、伤口愈合和免疫应答是必不可少的。即使对这种运动模式的全面理解仍然难以捉摸，但在使用全细胞物理模型进行建模方面已经取得了进展。该模型考虑了细胞运动的主要机制-肌动蛋白聚合，底物介导的粘附和肌动蛋白-肌球蛋白动力学，并将其与空间细胞-细胞和流体动力学相互作用相结合。该模型预测了集体细胞迁移的开始，集体细胞迁移是由于邻近细胞的非弹性碰撞而自发出现的。每个细胞在这里建模为一个积极的极性凝胶，是完成两个漩涡，如果它移动。两个细胞的开放碰撞，两个相互靠近的旋涡湮灭。这导致细胞的旋转，并且与每个细胞中肌动蛋白丝的变形和重新定向一起诱导这些细胞的对齐，并导致持续的平移集体迁移。低雷诺数的影响与非流体动力学模型一样强，但随着雷诺数的增加而减小。
2016-05-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Polarized interfacial tension induces collective migration of cells, as a cluster, in a three-dimensional tissue
细胞在三维（3D）组织中集体迁移为簇，例如在胚胎发生和癌症侵袭中。在这里，使用3D顶点模型的数值模拟表明，极化的界面张力，表达细胞粘附和皮层收缩，诱导在3D空间中的集群迁移。其机制是极化界面张力诱导细胞-细胞界面在整个簇内由前向后定向流动，产生驱动力，即，细胞通过简单地扩展和收缩细胞-细胞边界而作为簇向前移动。
2021-04-27 physics.bio-ph q-bio.CB
Contact inhibition of locomotion and junctional mechanics guide collective cell behavior in epithelial wound repair
上皮组织形成针对外部环境的物理整合屏障，保护器官免受感染和侵袭。在每个组织内，上皮细胞对可能损害组织完整性的不同挑战做出反应。特别是，细胞通过重组它们的细胞-细胞连接并向损伤部位定向迁移来集体响应。尽管如此，定义这些集体反应的时空尺度和驱动力的机制仍然知之甚少。为了解决这个问题，我们首先分析了上皮细胞单层对损伤的集体反应，并将结果与上皮细胞的不同计算模型进行比较。我们发现，整合细胞-细胞和细胞-基质界面处的细胞力学以及运动的接触抑制的模型预测了上皮对损伤的反应的两个关键特性：1）组织的局部松弛和2）涉及细胞伸长的集体反应（基底和顶端区域）和从损伤部位延伸至< 3个细胞直径的隐蔽板状伪足的延伸。因此，我们的研究结果突出了连接生物力学，细胞基质粘附和运动的接触抑制之间的整合，以指导快速集体重排，需要保护上皮屏障，以应对损伤。
2017-02-06 physics.bio-ph q-bio.CB
Collective motion of cells crawling on a substrate: roles of cell shape and contact inhibition
接触抑制在细胞运动、伤口愈合过程和肿瘤形成中起着至关重要的作用。通过用伪足模拟细胞在基质上爬行的机械运动，我们建立了一个自然引起接触性运动抑制（CIL）的细胞迁移的极小模型。模型细胞由两个圆盘组成，一个在前面（伪足），另一个在后面（细胞体），由一个可伸缩的弹簧连接。尽管模型简单，但细胞的集体行为是高度非平凡的，这取决于细胞的形状和CIL是否被启用。具有小的前圆（即狭窄的伪足）的细胞形成固定的集落。相比之下，具有大的前圆（即，诸如板状伪足）的细胞表现出连贯的迁移，而模型中不存在任何明确的对齐机制。这表明爬行细胞通常表现出宽阔的前沿，因为这有助于它们避免聚集。在增加密度时，细胞发展出与细胞迁移方向相反的密度波，并最终在更高的密度下停止。
2016-11-24 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Collective Alignment of Cells in Planar Cell Polarity: Insights from a Spin Model
本文采用基于晶格的平衡自旋模型研究PCP中细胞的集体排列，揭示局部相互作用阈值、渗流转捩及弱或短暂全局线索下的鲁棒定向机制。
2023-08-21 cond-mat.stat-mech nlin.AO q-bio.CB
Interstitial flows regulate collective cell migration heterogeneity through adhesion
已知癌细胞的迁移行为是异质的。然而，在肿瘤转移过程中，粘附相互作用、动态形状变化和流体流动在调节细胞迁移异质性和可塑性方面的相互作用仍然是难以捉摸的。为了进一步定量了解细胞运动和形态，我们发展了一个理论，使用随机量化方法，描述了生物物理线索在调节不同的细胞运动的作用。我们发现，时间依赖性粘附相互作用的累积效应，确定由于肌动蛋白重塑的结构重排和自生力，决定了间充质表型的超扩散运动在没有流量。间质流调节细胞运动表型，并通过粘附相互作用促进变形虫运动超过间质运动。细胞表现出集体迁移的动力学减慢，超扩散程度降低。间充质细胞比变形虫细胞更持久和扩散。我们的研究结果表明，间质流通过粘附诱导癌细胞定向运动的机制，并提供了急需的洞察到最近的实验观察有关乳腺癌细胞的不同运动。
2019-12-11 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.CB
Phase transition in the collective migration of tissue cells: experiment and model
我们已经记录了大量的角膜细胞（从金鱼的鳞片获得的组织细胞）使用长期的视频显微镜成群的集体迁移。通过增加迁移细胞的整体密度，我们已经能够在实验上证明从无序到有序状态的动力学相变。在临界密度附近，出现了一幅复杂的图像，其中有相互作用的细胞群成群移动。受这些实验的启发，我们构建了一个群集模型，表现出连续过渡到有序相，同时假设只有短程相互作用，没有明确的信息知识的运动方向的邻居。将细胞放置在微加工的竞技场中，我们发现了壮观的旋转行为，我们也可以在模拟中重现。
2006-11-15 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
From jamming to collective cell migration through a boundary induced transition
细胞单层提供了一个有趣的活性物质的例子，随着年龄的增长，它们表现出从流动到堵塞状态的相变。在这里，我们报告的实验和数值模拟说明如何堵塞的细胞层迅速恢复到流动状态后，伤口。实验和模拟之间的定量比较表明，细胞改变其自推进和膨胀强度，使系统越过一个相变线，我们表征的活性粒子模型中的有限尺寸标度。发现这种伤口诱导的解除干扰的转变一般发生在上皮细胞、内皮细胞和癌细胞中。
2018-02-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Mechanobiology of Collective Cell Migration in 3D Microenvironments
肿瘤细胞通过细胞与周围基质之间的机械相互作用介导单独或成组侵入。这些多细胞动力学让人想起组织发育中的领导者-跟随者协调和上皮-间充质转化（EMT），这可能通过相关分子或物理机制的失调而发生。然而，在没有精确测量单细胞行为的情况下，阐明这种表型异质性和可塑性仍然具有挑战性。活细胞成像，生物物理测量和3D生物材料技术发展的融合非常有希望揭示肿瘤细胞如何在异常微环境中合作。在这里，我们从癌症生物学和生物工程的角度强调了集体迁移的新结果。首先，我们回顾了集体细胞迁移的生物学。接下来，我们考虑基于序参量和相变的物理启发分析。此外，我们还研究了集体迁移中新陈代谢和异质性的相互作用。然后，我们审查的细胞外基质，和新的模式，三维生物材料的机械特性。我们还探讨了上皮-间质可塑性和肿瘤进展的影响。最后，我们推测未来的方向，整合机械生物学和癌细胞生物学阐明集体迁移。
2022-06-26 physics.bio-ph q-bio.CB
Dynamic cluster field modeling of collective chemotaxis
本文提出动态集群场建模（DCF）方法，可在O(1000)个细胞规模下高分辨率模拟集体趋化性与化学引诱物输运动力学，并通过多场景实验对比验证其高效性和预测能力。
2024-08-08 physics.bio-ph q-bio.CB
Biomechanics of Collective Cell Migration in Cancer Progression -- Experimental and Computational Methods
细胞迁移对于调节生理或病理条件下的许多生物学过程是必不可少的，包括胚胎发育和癌症侵袭。体外和计算机模拟研究表明，集体细胞迁移与一些生物力学特性有关，如细胞外基质的重组、应力和力分布曲线以及细胞骨架的重组。因此，可以通过深入研究细胞的行为决定因素来理解这种现象，包括但不限于来自环境和同行者的机械提示。这篇综述文章的目的是涵盖最近发展的实验和计算方法，研究生物力学的集体细胞迁移在癌症的进展和入侵。我们还总结了关于这些方法所实现的集体细胞迁移的潜在机制的测试假设。总之，本文对目前可用的方法和工具进行了广泛的概述，以揭示与细胞集体迁移相关的生物物理机制，并提供了未来发展的观点，最终破译癌症最致命特征背后的关键机制。
2019-03-12 physics.bio-ph q-bio.CB
Biophysical and Biochemical mechanisms underlying Collective Cell Migration in Cancer Metastasis
多细胞集体迁移是细胞在不同组织环境中空间移位以实现各种生物学现象（即，胚胎发育、伤口愈合和肿瘤进展）的普遍策略。多种细胞功能和行为，如细胞突起、主动收缩、细胞-细胞黏附、生化信号传导、组织微环境重塑等，同时发挥自己的作用，从而产生多细胞迁移的单一协调结果。因此，揭示内在复杂的集体细胞迁移过程的生物化学和生物物理驱动原理是一项不可逾越的任务。数学和计算模型，与实验数据相结合，有助于阐明它。在这里，我们回顾了影响集体细胞迁移的不同因素，然后专注于不同的数学和计算模型-离散，混合，和连续-这有助于揭示多细胞迁移的不同方面。最后，我们讨论了这些建模框架在癌症中的应用
2022-01-18 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.QM
Broad-tailed force distributions and velocity ordering in a heterogeneous membrane model for collective cell migration
相关的速度模式和相关的大长度尺度传输的牵引力已被观察到集体活细胞迁移作为一个响应的“伤口”。我们认为，一个简单的物理模型的力驱动的异质弹性膜滑动的粘性基板可以定性地解释一些实验观察到的事实：（i）增长的速度排序蔓延从伤口边界到内部，（ii）指数尾部的牵引力分布，和（iii）在组织的内部的速度的漩涡图案。
2012-03-20 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Emergence and Persistence of Collective Cell Migration on Small Circular Micropatterns
漩涡的自发形成是集体细胞活动的标志。在这里，我们研究的发病率和持久性的相干角运动（CAMo）作为一个功能的细胞数量$N$局限于圆形微图案。我们发现，CAMo的持久性增加与$N$，但表现出明显的不连续性伴随着几何重排的细胞的配置包含一个中央细胞。基于广义Potts模型的计算机模拟再现了涡旋态的出现，并与实验一致地表明，它们的稳定性取决于相邻细胞的空间排列和内部极化的相互作用。因此，不同的迁移状态在有限大小的合奏揭示了显着的洞察当地的相互作用规则指导集体迁移。
2015-05-19 physics.bio-ph q-bio.CB
Collective motion and nonequilibrium cluster formation in colonies of gliding bacteria
我们在实验中的细胞运动的特点，并表明，过渡到集体运动的滑翔细菌细胞局限于一个单层的殖民地出现通过组织的细胞成更大的移动集群。集体运动的非平衡团簇形成检测的临界细胞包装分数约17%。这种转变的特点是无标度的幂律团簇尺寸分布，与指数$0.88\pm0.07$，并出现巨大的数字波动。我们的研究结果是在定量协议与模拟自推进棒。这表明细菌的自推进和细菌的杆状的相互作用足以诱导集体运动。
2013-02-01 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
A Unified Term for Directed and Undirected Motility in Collective Cell Invasion
在本文中，我们开发了集体细胞运动的数学模型。首先，我们开发了一个模型，使用线性扩散平流型方程和拟合参数的数据从细胞运动性测定。这种方法有助于对细胞运动试验结果进行分类。特别是，该模型可以确定定向与非定向集体细胞运动的程度。接下来，我们开发了一个模型，使用非线性扩散项，能够以统一的方式捕获有向和无向的集体细胞运动。最后，我们应用非线性扩散方法的问题，在肿瘤细胞的侵袭，注意到既不趋化性或haptotaxis是目前在本文所考虑的系统。
2012-03-22 q-bio.CB q-bio.QM
Transient Leadership and Collective Cell Movement in Early Diverged Multicellular Animals
细胞的集体运动对于一些最重要的任务至关重要，包括伤口愈合、发育和免疫应答[Friedl and Gilmour 2009; Tokarski et al. 2012; Lee et al. 2012; Beltman et al. 2009]，并且对于许多病理过程是常见的，包括癌细胞侵袭和致畸[Khalil and Friedl 2010]。对单细胞运动的广泛理解[Rørth 2011; Insall和Machesky 2011; Houk et al. 2012]不足以预测细胞群的行为[Theveneau et al. 2013; Trepat，X.和Fredberg 2011]，并且在集体细胞迁移中识别协调的潜在规则仍然是回避的。集体运动的假定好处很少在细胞尺度上得到检验。例如，虽然集体感知允许较大的群体在导航中表现出更高的准确性[Simons 2004; Berdahl et al. 2013]，并且仅通过少数个体的领导就可以实现群体出租[Couzin et al. 2005]，但从未在集体细胞迁移中研究过这种效应。我们将研究原始多细胞动物Trichoplax adhaerens的集体运动和决策，以了解细胞间的协调如何影响动物行为以及迁移的准确性如何与细胞群大小相关。
2014-06-30 q-bio.CB
Bridging from single to collective cell migration: A review of models and links to experiments
数学和计算模型可以帮助获得在许多组织水平上的细胞行为的理解。在这里，我们回顾了文献中的模型，专注于真核细胞运动在3个尺寸尺度：细胞内信号调节细胞的形状和运动，单细胞运动，集体细胞行为从几个细胞到组织。我们调查最近的文献，总结不同的计算方法（相场，多边形，细胞波茨，球形细胞）。我们讨论模型之间的桥梁层次的组织，并描述层次的细节，生化和几何，包括在模型中。我们还强调模型和实验之间的联系。我们发现，跨越三个层次的模型仍然是少数。
2020-11-21 q-bio.CB q-bio.MN q-bio.QM
Collective gradient sensing with limited positional information
真核细胞通过感知化学梯度来决定何时何地移动。细胞簇可以通过整合跨簇进行的浓度测量来比单个细胞更准确地感测梯度。当细胞对它们在集群内的位置具有有限的知识（即有限的位置信息）时，这种梯度感测准确性是否受到阻碍？我们采用最大似然估计研究梯度传感精度的一群细胞与有限的位置信息。如果细胞必须估计它们在集群内的位置，这会降低集体梯度感测的准确性。我们将我们的结果与拔河模型进行比较，在拔河模型中，细胞通过集体指导机制对梯度做出反应，而不依赖于它们的位置信息。随着细胞位置不确定性的增加，存在一种权衡，其中拔河模型更准确地响应化学梯度。然而，对于足够大的细胞簇或浅的化学梯度，即使位置不确定性很高，拔河模型也总是低于整合所有细胞信息的模型。
2021-10-19 physics.bio-ph q-bio.CB
Collective Dynamics of Dividing Chemotactic Cells
使用动力学重整化群方法研究了一群细胞的大规模行为，这些细胞通过它们分泌的化学物质的浓度场生长和相互作用。有效的长程趋化相互作用和缺乏数量守恒的组合导致系统中的多种相行为，其包括从具有适度（或受控）生长和受调节的化学相互作用的相到具有强（或不受控）生长和没有化学相互作用的相的急剧转变。过渡点有非平凡的临界指数。我们的研究结果可能有助于阐明化学信号与组织和菌落生长之间的相互作用，特别是癌症转移的挑战性问题。
2015-01-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.CB
Collective Cell Movement in Cell-Scale Tension Gradient on Tissue Interface
在本文中，我们研究了出现的细胞流诱导的张力梯度的组织界面上的液体界面上的Marangoni流的情况下。我们认为组织间异嗜性粘附的分子密度极性是张力梯度的来源。通过应用细胞Potts模型，我们证明了浓度极化（即，细胞内定位）可以诱导类似于Marangoni流的细胞流。与普通的马兰戈尼流相反，这种流动的方向与张力梯度的方向相反。还确定了存在这种流动的最佳粘附强度范围。
2021-10-01 cond-mat.soft q-bio.CB
One-dimensional collective migration of a proliferating cell monolayer
胚胎发生和组织修复过程中集体细胞迁移的重要性要求对基本原理和机制有充分的理解。在这里，我们解决最近在体外细胞单层实验表明，前沿的进步依赖于细胞增殖和组织边缘的扩散活性。在一个易于详细分析的简单粘弹力学模型中，我们确定了负责组织扩张的关键参数，并确定了单层速度与可测量流变参数的关系。我们的研究结果使我们能够讨论所观察到的组织动力学的药理学扰动的影响。
2016-01-04 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.QM
Sense and sensitivity: physical limits to multicellular sensing, migration and drug response
转移是一个细胞迁移的过程，可以是集体的，并由化学线索引导。以这种方式看待转移，作为一种物理现象，允许人们从细胞生物学中的集体感知和迁移的其他研究中汲取见解。在这里，我们回顾了最近的进展，在研究细胞传感和迁移的集体现象，包括在转移细胞的背景下。我们描述了简单的物理模型，产生的限制，细胞传感的精度，我们审查的实验证据表明，细胞在这些限制。集体迁移模型进行调查，以了解如何集体转移性侵袭可能发生。最后，我们将细胞的感觉能力与它们对药物的敏感性进行了对比，并提出了基于细胞死亡的癌症疗法的潜在替代方案。
2016-03-09 physics.bio-ph q-bio.CB
Modelling the effect of curvature on the collective behaviour of cells growing new tissue
已知若干生物组织的生长部分地由局部几何特征（诸如组织界面的曲率）控制。这种控制导致组织形状的变化，这反过来又会影响组织的进化。了解这种控制的细胞基础对于生物支架组织工程、骨微结构的演变、伤口愈合和肿瘤生长具有重要意义。虽然以前的模型已经提出了组织生长和曲率之间的几何关系，细胞密度和细胞活力的作用仍然知之甚少。我们提出了一个细胞为基础的数学模型的组织生长研究系统的影响曲率的集体拥挤或扩散的组织合成细胞引起的局部组织表面积的变化，在运动的接口。根据扩散阻尼的强度，该模型表现出复杂的增长模式，如起伏运动，有效的平滑的不规则性，并产生尖点。我们比较了这个模型与不同几何形状的生物支架中的组织沉积的体外实验。通过考虑活性细胞的消耗，该模型能够捕获如实验观察到的初始基底几何形状的平滑和组织沉积减缓。
2016-11-30 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.TO
Cancer Metastasis: Collective Invasion in Heterogeneous Multicellular Systems
肿瘤细胞群内的异质性与恶性程度的增加相关，并且似乎在癌症转移过程中发挥重要作用。使用计算机实验，我们研究了集体行为和细胞运动异质性之间的相互作用在一个模型系统。工作与肿瘤球体，包含两个非增殖细胞群体的不同运动特性，我们探讨了最大限度地侵入周围组织所需的条件。我们显示了新兴的空间格局的细胞组织和入侵，这是一致的，在体外和体内观察。这表明，在细胞水平上的机械相互作用足以解释许多观察到的入侵形态，并且在控制大细胞群体的命运方面，细胞运动的异质性可能比平均机械特性更重要。
2014-12-31 q-bio.CB q-bio.TO
Physics of collective cell migration
在组织发育、伤口愈合和癌症侵袭的早期阶段期间，细胞簇沿着细胞外基质（ECM）的移动涉及各种相互关联的迁移模式，例如：（1）簇内的细胞移动，（2）簇延伸（润湿）和压缩（去润湿），以及（3）定向簇移动。越来越明显的是，细胞团及其周围基质的扩张和体积粘弹性显著影响这些迁移模式，通过物理参数，如：细胞和基质的表面张力，细胞和基质之间的界面张力，表面和界面张力的梯度，以及细胞和基质残余应力的积累。细胞表面张力沿迁移细胞簇的不均匀分布可能是由于前导细胞和跟随细胞之间的细胞-细胞黏附接触和细胞收缩性的不同强度而出现的。虽然由基质刚度梯度（即硬旋转）引起的定向细胞迁移已被广泛阐述，但由细胞牵引引起的基质表面结构变化导致基质表面张力梯度的产生尚未被考虑。该理论考虑的主要目标是基于制定的生物物理模型来阐明各种物理参数在集体细胞迁移中的作用。这种复杂的现象进行了讨论的模型系统，如胶原蛋白I凝胶基质上的细胞簇的运动，同时审查各种实验数据，有和没有细胞。
2023-02-11 q-bio.CB q-bio.TO
Random matrix analysis of Ca$^{2+}$ signals in $β$-cell collectives
即使在像胰岛这样的小器官中，不同的内分泌细胞类型和亚型也形成了一个异质的集体，以感知细胞外溶液的化学成分并计算足够的激素输出。由于异质性的挑战，错误的细胞加工和激素输出导致各种疾病，糖尿病作为旗舰代谢疾病。在这里，我们试图解决上述功能的异质性比较成对的细胞-细胞交叉相关性获得的同时测量细胞溶质钙反应在数百个胰岛细胞在一个光学平面的随机矩阵理论（RMT）预测的相关性的统计特性。我们发现，大部分的经验本征值谱几乎完全由RMT预测描述，然而，RMT谱边缘的下方和上方存在的偏离本征值表明，有本地和扩展模式驱动的相关性。我们发现，经验最近邻间距的特征值遵循普遍的RMT属性，无论葡萄糖刺激，但数量的方差显示清晰的分离RMT预测，并可以区分非刺激和刺激条件下获得的经验光谱。我们认为，RMT方法提供了一个敏感的工具，以评估功能细胞的异质性及其对时空动态的影响，在生理休息和刺激条件下胰岛β细胞的集体。
2019-03-29 cond-mat.stat-mech q-bio.CB
Self-Sustained Collective Oscillation Generated in an Array of Non-Oscillatory Cells
振荡是生物系统中普遍存在的现象。传统的生物周期振荡模型通常被认为是相互连接的转录反馈回路。一些特定的蛋白质作为转录因子发挥作用，反过来负调控编码这些“时钟蛋白”的基因的表达。这些环可能导致细胞基因表达的节律性变化。在多细胞组织的情况下，集体振荡通常是从这些细胞的同步中获得的，这些细胞表现为自主振荡器。相比之下，在这里，我们提出了一个不同的情况下，集体振荡的发生在一个多细胞系统独立的振荡，既不是固有的振荡细胞，也不是周期性的外部刺激。它是一种耦合诱导振荡，考虑了由于细胞内通讯引起的波传播。
2009-03-25 nlin.AO nlin.PS q-bio.CB
From single to collective motion of social amoebae: a computational study of interacting cells
本研究扩展了盘基网柄菌单细胞运动的相场模型，引入细胞排斥相互作用以模拟其集体运动，通过数值模拟揭示了细胞密度与运动性的负相关关系及瞬时细胞簇的形成机制。
2021-12-29 nlin.PS physics.bio-ph q-bio.CB
Learning dynamical models of single and collective cell migration: a review
本综述聚焦单细胞与集体细胞迁移动力学模型研究，梳理数据驱动理论方法结合实验数据推断随机迁移模型的进展，涵盖细胞异质性、亚细胞自由度及多细胞集体动力学等应用，阐明其与活性物质模型结合的价值。
2023-10-07 physics.bio-ph physics.data-an q-bio.CB
A biased random walk approach for modeling the collective chemotaxis of neural crest cells
本文提出一种由 Rac1 内部状态驱动、并受细胞间相互作用与趋化线索调控的有偏随机游走模型，用于模拟神经嵴细胞的集体趋化迁移，并通过多场景仿真验证其适用性，同时可导出细胞密度偏微分方程。
2023-10-02 q-bio.CB
Emergent versus Individual-based Multicellular Chemotaxis
多细胞趋化性可以通过机械偶联的单个趋化细胞发生。或者，它可以集体出现，从细胞化学趋化不同，在一个群体中，而不是他们单独。在这里，我们认为集体运动出现的细胞外部的集体响应趋化信号，而散装细胞仍然不参与感知和指导集体。我们发现，这种类型的紧急趋化性的精度高于基于个人的趋化性的一维细胞链和二维细胞片，但不是三维细胞簇。我们描述了这些结果的物理起源，讨论了它们的生物学意义，并展示了如何使用常见的实验措施，如趋化指数来测试它们。
2017-10-31 physics.bio-ph q-bio.CB
Molecular-level tuning of cellular autonomy controls the collective behaviors of cell populations
要严格理解多细胞行为是如何从单细胞的行为中产生的，需要定量框架来弥合遗传电路、细胞在空间中的排列和群体水平行为之间的差距。在这里，我们提供了这样一个框架的一个无处不在的类多细胞系统-即“分泌和感觉细胞”，通过分泌和感知信号分子进行通信。通过使用正式的，数学的参数，并引入表型图的概念，我们展示了这些细胞如何调整其自主和集体行为的程度，以实现不同的单细胞和群体水平的表型;这些现象有生物学上的类似物，如群体感应或旁分泌信号。我们还定义了“人口熵”，一个测量的数量的安排，人口的细胞可以假设，并演示如何减少人口的熵伴随着有序的空间格局的形成。我们的概念框架将不同的系统（包括组织和微生物）与共同的原则联系在一起。
2016-02-17 nlin.CG nlin.PS physics.bio-ph
Interplay between substrate rigidity and tissue fluidity regulates cell monolayer spreading
细胞的协调和合作运动对于胚胎发育、组织形态发生、伤口愈合和癌症侵袭是必不可少的。由于细胞-细胞相互作用、细胞-基质粘附和活性细胞行为之间的复杂相互作用，对集体细胞运动中出现的力学行为的预测性理解是具有挑战性的。为了克服这一挑战，我们开发了一个预测细胞顶点模型，可以描绘基板的刚度，组织力学和活性细胞特性的细胞集体的运动的相对作用。我们将该模型应用于细胞聚集体集体运动的特定情况下，因为它们扩散到一个二维的细胞单层粘附到一个软弹性基质。与最近的实验相一致，我们发现，基板刚度调节细胞单层，这可以是压力驱动的或爬行为基础的依赖于基板的刚度的蔓延的驱动力。在软基质上，由于来自聚集体的细胞流入，细胞单层铺展由主动压力驱动，而在硬基质上，细胞铺展主要由主动爬行力驱动。我们的模型预测，细胞爬行和组织压力的合作驱动更快的扩展，而扩展速率是敏感的组织的机械性能。我们发现，固体组织传播速度更快的刚性基板上，与组织张力的扩展速率增加。相比之下，流体组织的扩散与基质硬度无关，并且比固体组织慢。我们比较我们的理论结果与实验结果的牵引力产生和细胞单层的扩散动力学，并提供新的预测集体细胞运动的组织流动性和基板刚性的作用。
2022-10-03 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Optimality theory of stigmergic collective information processing by chemotactic cells
本文将趋化细胞的集体探索建模为群体强化学习问题，推导出最优探索动力学并揭示其与Keller-Segel模型的结构对应关系，阐明了梯度感知与生成的最优耦合机制。
2025-01-02 nlin.AO q-bio.CB
Weakly coupled map lattice models for multicellular patterning and collective normalization of abnormal single-cell states
我们提出了一个弱耦合的地图格子模式，探讨了通过削弱局部动态规则对模型生物和人工网络组成的两个国家的积木（细胞）的影响。为此，我们使用两个元胞自动机模型的基础上：（i）一个光滑的多数规则（模型I）和（ii）一组规则类似的康威的游戏的生活（模型II）。正常和异常细胞状态根据由参数$κ$调制的局部规则演化。该参数量化了由于每个细胞与其邻域的有限耦合而导致的规定规则的有效弱化，并且可以通过适当的外部代理进行实验控制。出现的单细胞状态的时空地图应该是有意义的位置信息的过程，以及在肿瘤发生的细胞间通信的集体正常化异常的单细胞状态的主要是正常的邻居可能是至关重要的。
2017-04-11 nlin.CG nlin.PS physics.bio-ph
A deep reinforcement learning model based on deterministic policy gradient for collective neural crest cell migration
模拟细胞相互作用，如运动的共吸引和接触抑制，是理解集体细胞迁移的关键。在这里，我们提出了一种新的深度强化学习模型，用于集体神经嵴细胞迁移。我们应用深度确定性策略梯度算法结合粒子动力学仿真环境来训练智能体以确定迁移路径，由于领导者和跟随者神经嵴细胞的迁移机制不同，我们训练了两种类型的智能体（领导者和跟随者）来学习集体细胞迁移行为.对于一个领导者代理，我们考虑一个线性组合的全球任务，导致在最短路径的目标源，和一个本地的任务，导致在协调运动沿当地的化学吸引梯度。对于一个追随者代理，我们只考虑本地任务。首先，我们证明了领导细胞学习到的自驱动力近似指向基板，这意味着代理能够学习遵循到达目标的最短路径。为了验证我们的方法，我们比较了总的时间流逝的代理达到基板使用所提出的方法和使用基于代理的模型计算的时间。使用这两种方法计算的迁移时间间隔的分布没有显着差异。然后我们研究了运动的共吸引和接触抑制对集体领导细胞迁移的影响。我们表明，整体领导细胞迁移的情况下，共同吸引力是缓慢的，因为共同吸引力减轻了源驱动的效果。此外，我们发现，领导者和追随者代理学习遵循类似的迁移行为，在实验观察。总的来说，我们提出的方法提供了有用的见解，如何应用强化学习技术来模拟集体细胞迁移。
2020-07-07 q-bio.CB
From Intracellular Signaling to Population Oscillations: Bridging Scales in Collective Behavior
细胞群体中的集体行为由单个细胞内的生化信号网络协调。由于网络的复杂性和我们对动力学参数的有限了解，将这些细胞内网络的动力学与它们控制的群体现象联系起来构成了相当大的挑战。然而，从物理系统中我们知道，集体行为系统中个体成分的行为变化发生在有限数量的定义明确的类中，这些可以用简单的模型来描述。在这里，我们应用这样一种方法来出现集体振荡的社会阿米巴Dictyosteelium discoideum的细胞群体。通过对我们的模型进行直接测试，对单细胞和群体信号动力学进行定量体内测量，我们展示了一个简单的模型如何有效地描述复杂的分子信号网络及其在多个大小和时间尺度上的影响。该模型预测了新的噪声驱动的单细胞和群体水平的信号传导现象，我们然后实验观察。我们的研究结果表明，就像物理系统一样，生物学中的集体行为可能是普遍的，可以用简单的数学模型来描述。
2014-06-25 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.MN
Emergence of collective oscillations in adaptive cells
群体中细胞的集体振荡已经在不同的生物学背景下和具有非常不同的分子构建体的情况下被报道。在机械或电气系统中，是否存在与支配自发振荡的原理类似的共同原理？在这里，我们通过对单个细胞对时变信号的响应进行分类来肯定地回答这个问题。需要来自参与细胞的足够增益的正细胞内信号中继来维持振荡，以及相位匹配。这两个条件产生定量预测的发病细胞密度和频率方面测得的单细胞和信号响应函数。通过数学构造，我们表明，细胞，适应一个恒定的刺激满足相位的要求，通过开发一个领先的阶段，在一个“活跃”的频率窗口，使细胞信号的能量流。在几个细胞系统中的动态群体感应的分析与日益增加的生物复杂性重申了关键作用的适应供电振荡，否则耗散细胞间的通信渠道。所确定的物理条件可用于设计综合振荡系统
2019-07-05 q-bio.CB
A Critical-like Collective State Leads to Long-range Cell Communication in Dictyostelium discoideum Aggregation
从单细胞到多细胞行为的转变在早期发育中很重要，但很少研究。饥饿诱导的社会阿米巴Dictyosteelium discoideum聚集成多细胞蛞蝓是已知的，导致单细胞趋化性朝向发射脉冲的环磷酸腺苷（cAMP）。然而，在宏观尺度上，瞬时的短程化学梯度究竟是如何导致连贯的集体运动的？在这里，我们使用一个多尺度模型验证定量显微镜描述广泛的行为，从趋化性和兴奋性的单个细胞聚集的数千个细胞。为了更好地理解长距离细胞间通信的机制，从而聚集，我们分析了细胞间的相关性，显示了聚集开始时自组织的证据（而不是跟随领导细胞）。令人惊讶的是，细胞集体，尽管其有限的大小，显示已知的物理系统中的相变临界的功能。在我们的模拟中，在敏感的临界点附近应用外部cAMP扰动可以引导细胞进入早期聚集并朝向某些位置，但一旦选择了聚集中心就不行。
2018-01-11 q-bio.CB q-bio.PE
Dynamic fibronectin assembly and remodeling by leader neural crest cells prevents jamming in collective cell migration
该研究构建纳入神经嵴细胞与ECM互作的个体计算模型，揭示领头细胞重塑纤连蛋白、尾随细胞强化接触导向的分工可维持流状迁移并避免堵塞。
2023-04-19 q-bio.CB
Collective gene dynamics leave signatures of decision landscapes in cell fate coordinates
Boston University（波士顿大学）；University at Buffalo School of Dental Medicine（布法罗牙医学院）；University at Buffalo（布法罗大学）；Center for Regenerative Medicine of Boston University and Boston Medical Center（波士顿大学与波士顿医疗中心再生医学中心）
本文提出一个结合低维梯度动力学与高维Hopfield网络的现象学模型，从单细胞RNA测序时间序列数据中识别决策类别的实验印记，并应用于小鼠肺泡细胞成熟和造血分化数据，证明细胞命运动力学与包含中间祖细胞和鞍点的发育景观一致。
2026-05-26 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech q-bio.CB
The effects of MAPK activity on cell-cell adhesion during wound healing
集体迁移或细胞群体的协调运动的潜在机制尽管普遍存在，但尚未得到很好的理解。作为研究集体迁移的一种手段，我们考虑了一种伤口愈合的情况，其中一群细胞填充了划痕伤口留下的空白空间。在这里，我们提出了一个简化的数学模型，使用反应-扩散方程模型集体迁移在伤口愈合的细胞运动和细胞信号和细胞-细胞黏附的反应的重点。我们利用该模型研究了MAPK信号级联对EGF处理后伤口愈合过程中细胞-细胞黏附的影响。我们的研究结果表明，激活MAPK信号级联刺激集体迁移通过增加牵引力的领导细胞。我们进一步使用该模型表明，用EGF处理细胞群将伤口闭合时间（作为伤口面积的函数）从抛物线转换为线性。
2015-06-23 q-bio.CB
Measurement of tissue viscosity to relate force and motion in collective cell migration
University of Wisconsin–Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）
本研究通过实验测量组织粘性，揭示了力与运动的关系，并展示了组织微观结构与材料属性之间的直接联系。
2025-12-16 physics.bio-ph q-bio.CB
