2026年理論物理所重要科研進展系列（六）：細胞表型轉(zhuǎn)化的信息流形
2026年理論物理所重要科研進展系列（六）：細胞表型轉(zhuǎn)化的年理信息流形
【ZiDongHua 之“自動化學(xué)院派”標(biāo)注關(guān)鍵詞：中科院理論物理所，細胞表型轉(zhuǎn)化，論物理所列細流形生物信息學(xué)】
2026年理論物理所重要科研進展系列(六)：細胞表型轉(zhuǎn)化的重科展系信息流形
細胞如何從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)(即細胞表型轉(zhuǎn)化，Cell Phenotype Transition,研進 CPT)，一直是胞表發(fā)育生物學(xué)、疾病發(fā)生(如癌癥轉(zhuǎn)移)等領(lǐng)域的型轉(zhuǎn)信息核心問題。近年來，年理單細胞RNA測序技術(shù)的論物理所列細流形爆發(fā)提供了海量數(shù)據(jù)，但如何從高維的重科展系基因數(shù)據(jù)中提取出真正具有物理和幾何意義的動力學(xué)規(guī)律，始終是研進橫亙在科學(xué)家面前的一道難題。
盡管細胞包含成千上萬個基因，胞表但受到底層基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的型轉(zhuǎn)信息嚴格約束，細胞表型轉(zhuǎn)化的年理實際動力學(xué)是被限制在低維流形上的。然而，論物理所列細流形現(xiàn)有的重科展系單細胞數(shù)據(jù)分析多依賴于降維可視化工具比如t-SNE、UMAP，Diffusion maps，但這些方法在將高維數(shù)據(jù)投影到二維或三維空間時，雖然盡可能保留了拓撲結(jié)構(gòu)，卻扭曲了流形真實的內(nèi)在幾何性質(zhì)。距離和鄰域的扭曲會導(dǎo)致研究者在 2D 圖上憑肉眼觀察到的細胞發(fā)育軌跡或分化路徑可能與高維空間中的真實動力學(xué)過程完全背離。
針對這一挑戰(zhàn)，本研究提出了一種名為SCIM(Single Cell Information Manifolds，單細胞信息流形)的全新理論框架。該研究首次將“信息幾何(Information Geometry)”引入單細胞演化動力學(xué)分析中，利用高斯嵌入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將單細胞基因表達譜轉(zhuǎn)化為多元高斯分布，從而在概率空間中自然地定義 Fisher 信息度規(guī)，成功為細胞表型轉(zhuǎn)化的低維流形建立了黎曼度規(guī)。該方法突破了傳統(tǒng)降維算法僅能用于可視化的局限，首次實現(xiàn)了對細胞表型轉(zhuǎn)化流形內(nèi)蘊幾何屬性的定量監(jiān)測。
運用這一方法，我們發(fā)現(xiàn)流形上低曲率區(qū)域的細胞對應(yīng)于細胞命運決定關(guān)鍵期、高度不穩(wěn)定的過渡態(tài)細胞。SCIM首次將RNA速率與Fisher度規(guī)相結(jié)合，計算出了每個細胞的“信息速度”。作為衡量分布變化快慢的信息速度，可用于表征細胞狀態(tài)變化的快慢。研究發(fā)現(xiàn)流形上低曲率區(qū)域的細胞具有高信息速度，反映了過渡態(tài)細胞的動力學(xué)性質(zhì)，并揭示了細胞表型轉(zhuǎn)化類似于廣義相對論“時空引導(dǎo)物質(zhì)運動”的特性，即不同體系都體現(xiàn)了“流形幾何結(jié)構(gòu)引導(dǎo)細胞動力學(xué)”的規(guī)律。
對復(fù)雜系統(tǒng)中臨界點的研究至今仍是一個活躍的研究領(lǐng)域。信息幾何及Fisher信息，為刻畫相變過程提供了一種強有力的手段;由于無需預(yù)先定義哈密頓量或系綜函數(shù)，該方法可輕松適用于非平衡系統(tǒng)。因此，SCIM模型不僅為分析單細胞表型轉(zhuǎn)化提供了一個理論框架，更有望揭示廣泛的復(fù)雜系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中所蘊含的深層原理。
相關(guān)研究成果以“Geometric Quantification of Cell Phenotype Transition Manifolds with Information Geometry”為題，發(fā)表在 Cell Systems 期刊上，為量化復(fù)雜生物系統(tǒng)的非平衡動力學(xué)提供了全新的數(shù)學(xué)物理視角。
SCIM框架示意圖
中國科學(xué)院理論物理研究所王維康副研究員和北京大學(xué)北京國際數(shù)學(xué)研究中心/數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院/定量生物學(xué)中心/國際機器學(xué)習(xí)中心張磊教授為該論文的共同通訊作者。中國科學(xué)院理論物理研究所博士生黃淼和北京大學(xué)大數(shù)據(jù)科學(xué)研究中心碩士研究生王宇軒為論文共同一作，論文合作者還包括中國科學(xué)院理論物理研究所周海軍研究員，博士生肖和與北京大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院博士生應(yīng)駿達。
該項研究得到了國家自然科學(xué)基金以及理論物理專款，國家重點研發(fā)計劃、北京自然科學(xué)基金等多項基金項目的支持與資助。
