CytoBridge把稀疏空间转录组快照连成虚拟组织：细胞间相互作用被写成动力学的一项
核心概要
时间序列空间转录组每次只测一张组织切片，细胞如何迁移、增殖、彼此影响只能间接推断。CytoBridge在转录组与空间坐标组成的联合状态空间里学习连续群体演化，把速度拆成由空间邻域和配体—受体先验估计的相互作用项与内在调控项，并允许细胞数增减。在五个数据集、三种空间转录组平台上，它生成未测量的中间阶段；留一阶段基准的33个组合中，它在12个上Sliced-W2最低，多于其他任何方法或对照。
深度剖析
空间转录组的时间序列现在可以被连成一段连续的群体演化，而不只是若干张互不相干的切片。CytoBridge把每个细胞的基因表达状态和空间坐标放进同一个联合空间，学习细胞状态、位置和群体数量随时间的变化，并把细胞间相互作用作为动力学中的显式一项。 此前的空间与时空转录组方法主要把不同时间点的分布对齐、耦合或重建，例如stVCR、MOSCOT、Spateo、STORIES等；这些方法描述群体在给定输运或扩散原则下的演化，没有把局部细胞间相互作用显式写成驱动多细胞动力学的项。 在五个空间数据集（鸡胚心脏、小鼠器官发生MOSTA、蝾螈脑再生ARTISTA、TgCRND8小鼠阿尔茨海默病进展、斑马鱼胚胎发生）上，每次留出一个中间时间点不参与拟合，再用预测分布与留出观测比较；33个留出阶段与评估空间组合中，CytoBridge在12个上Sliced-W2最低，多于其他任何方法或对照。
模型把每个细胞的速度拆成两部分：一部分来自邻近细胞的信号输入，另一部分来自细胞自身的调控进程和未被测量的环境因素。这样，相互作用的方向和强度可以随时间与空间位置变化，而不是固定成一个解析核。 相互作用项由一个注意力式等变图神经网络参数化，图上的边由空间距离和配体—受体配对先验共同决定，并随细胞移动和状态改变而重建；群体增长或损失由单独的生长场描述，随机涨落由随时间变化的扩散尺度给出。 在一个以MOSTA小鼠器官发生图谱为底构建、已知速度场、生长率和相互作用网络的模拟基准上，推断的完整速度场与生成场在物理空间的聚合余弦相似度为0.977、在基因表达空间为0.952，注意力强度与生成值的平均Spearman相关为0.80，生长值的Pearson r为0.92；在另一个独立的有限程吸引粒子模拟器上，径向吸引剖面的Pearson r为0.876。
启示与展望
已展示的范围是五个空间转录组数据集上的留一阶段插值与相互作用重建，以及两个非空间单细胞时间序列上对训练时留出的谱系命运比例和新RNA方向的对照；这些数据均为观测数据，推断的相互作用与模拟扰动响应是模型预测。
作者指出，模拟基准的生成器本身就是一个CytoBridge模型并共享其结构假设，因此只把它当作受控的恢复测试；每张切片只采样三维组织的一个平面，时间采样稀疏或对齐误差会限制中间群体的恢复，例如AD数据集中5.7个月与17.9个月之间超过一年的间隔限制了推断变化的时间分辨率；把相互作用与内在调控分开，需要配体—受体和邻域特征在可比细胞间有足够差异；由于数据是观测性的，推断的相互作用和模拟扰动响应仍需扰动实验检验因果作用。