細胞必須通過閱讀它們所在環境中的化學信號來決定是否移動以及移動到身體的哪里。發表在《PNAS》上的兩項關于小鼠乳腺組織的新研究表明，在這一過程中，單個細胞并不是單獨行動；相反地它們是在交換了彼此接受到的化學信息后，細胞們共同作出決定。
這2項研究的共同作者、Emory大學的生物物理學家Ilya Nemenman說：“在采取行動前，細胞會與‘鄰居們’進行交流并對信息進行比較。”
研究人員發現，細胞的交流過程類似于在一個電話游戲中的信息傳遞。Nemenman說：“每個細胞只與它的相鄰細胞交流。1號位置的細胞只與2號位置的細胞交流，通過2號位置的細胞得到3號位置細胞的信息。”
此外，與電話游戲中相似的是，如果很多人在傳遞信息給下一個人時聲音都很小，那么到最后一個人時，最開始的信息會被扭曲。研究人員發現，在細胞交流中，經過約4個細胞后，信息開始被篡改了。
Nemenman說：“我們建立了一個細胞信息線性傳遞的數學模型，得出了一個可能具有最好準確性的公式。直接的細胞轉移對器官和組織的發育以及癌癥的發展過程非常重要。其他研究人員可以運用我們的模型，在廣泛的健康和疾病系統中分析類似的現象。”
經典的Berg-Purcell檢測限
自上世紀70年代以來，Howard Berg和Ed Purcell從事的研究致力于了解細胞基于化學線索決定采取行動的背后機制。身體中的每個細胞具有相同的基因組，但卻做著不同的事情，去往不同的方向，這是因為它們檢測到了不同的化學信號。這些化學信號由隨機移動的分子組成。
Nemenman說：“細胞不僅可以感知一種化學信號的準確濃度，還能確定濃度差異。這是非常重要的，因為要想知道往哪個方向移動，細胞必須知道哪個方向的化學信號濃度更高。細胞感知這種梯度后，給它們的移動和成長方向提供參考。”
Berg和Purcell得出了可能最佳的誤差幅度，即檢測限（detection limit）。在接下來的30年里，科學家們證實了很多不同的細胞以這種檢測限為工作機制。然而，這些細胞究竟是如何感知信號并共同作出行動決定的還并不清楚。
Nemenman說：“先前的研究通常集中在培養出的細胞上。然而，在這種情況下，細胞間的相關作用就消失了；細胞不再是一個功能性的組織，因此許多集體效應的研究就變得很困難。”
兩篇新成果挑戰Berg-Purcell
第一篇PNAS中，科學家們使用了三維微流控技術研究了功能性的類器官或者細胞簇。這種方法不會破壞細胞間的相互作用。結果顯示，表皮生長因子（EGF）是這些細胞追蹤的信號，且細胞不是獨自決定“前進的方向”，而是一種集體行為。
Nemenman說：“細胞能夠檢測出不同側濃度梯度間極小的差異，比如498 molecules的EGF和502 molecules的EGF。這樣的精確度比Berg和Purcell提出的±20的誤差幅度要好。即便在如此小的濃度梯度下，類器官依然開始重塑，且向較高的濃度移動。”此外，集體的細胞交流促進了檢測的準確性，將約4個細胞變成了單個的、更加精確的測量單元。
第二篇PNAS文章中，研究者們調查了隨著空間和時間的轉變，細胞集體梯度感知精確度的限制。Nemenman說：“我們曾假設細胞間持續交流幾小時或者幾天、持續收集信息，那準確度可能會比4個細胞間的交流更好。令人驚訝的是，事實上并非如此。我們發現，在細胞系統中，信息傳遞多遠而不形成混亂是有限制的。”
這兩項研究通過在小鼠乳腺類器官上的實驗總結出了集體細胞梯度感知的精細模型，改善了經典的、被認同了近40年的Berg-Purcell檢測限。Nemenman說：“我們的研究結果為研究許多正常和異常的發育過程提供了新的途徑。”