细胞信号传导中振幅和频率编码：构建独特信息景观，拓展刺激感知边界

为探究细胞对环境变化的编码策略，研究人员对比振幅和频率编码，发现二者信息传递能力不同，或有助于细胞检测刺激差异。

　　在微观的细胞世界里，细胞就像一个个聪明的小侦探，时刻感知着周围环境的变化。当外界环境发生改变，比如某些物质浓度变化时，细胞会启动一系列复杂的信号传导过程，最终调整基因表达，做出相应的反应。在这个过程中，细胞有两种重要的 “编码语言”，即振幅编码和频率编码，它们负责将外界刺激信息传递给细胞内部。然而，这两种编码方式到底有何不同？在什么情况下哪种编码更具优势？这些问题一直困扰着科学家们。

为了解开这些谜团，来自阿根廷布宜诺斯艾利斯大学（UBA）和阿根廷国家科学与技术研究委员会（CONICET）的 Alan Givré、Alejandro Colman-Lerner、Silvina Ponce Dawson 等研究人员开展了深入研究。相关成果发表在《Scientific Reports》上。

研究人员采用了多种关键技术方法来开展研究。首先，构建数学模型模拟细胞信号传导过程，包括从外部刺激到转录因子（TF）核转运，再到 mRNA 生成的各个环节。通过设定不同参数，分别描述振幅编码和频率编码下 TF 核浓度与外部刺激的关系。其次，运用信息论中的互信息（MI）来量化 mRNA 产生量与刺激强度之间的信息传递效率。在计算过程中，使用特定分布的刺激强度，并结合 Jackknife 方法数值计算 MI，以此分析不同编码方式在信息传递能力上的差异。

下面来看看具体的研究结果：

• 振幅和频率编码对 MI 与刺激强度关系的影响不同：研究人员通过模拟不同刺激强度分布下的 MI 值，发现振幅编码的 MI 在刺激强度中位数（Med (I_ext)）接近希尔函数的 EC₅₀时达到最大，且仅在有限的刺激强度范围内保持较高水平；而频率编码在一定条件下，MI 能在更广泛的外部输入强度范围内保持较高值，二者呈现出截然不同的依赖关系。
• 二者的差异源于对环境映射方式的不同：振幅编码中，外部刺激通过希尔函数映射为 TF 核浓度的变化，这种映射使得在 EC₅₀附近或低于它的区域，细胞才能较好地区分不同刺激；频率编码则通过指数函数将刺激强度映射为脉冲间隔时间的变化，其对刺激强度的区分能力在整个刺激范围内较为稳定，不受刺激强度本身大小的影响，这是因为其关键量化指标不依赖于刺激强度，只与刺激强度的变化量有关。
• 频率编码 MI 的稳定性受两个关键时间尺度限制：一方面，有限的观察时间限制了能引起 mRNA 产生的最低频率，如果在观察时间内产生脉冲的概率过小，MI 会降低；另一方面，当输入强度过大，对应的平均脉冲间隔时间差异过小，会被转录过程中的慢过程 “过滤” 掉，同样导致 MI 下降。例如，实验中发现 mRNA 降解时间与频率编码中可区分的最小脉冲间隔时间相近，这一关键时间尺度限制了高频端的信息传递。
• 结合两种编码可扩大细胞区分刺激的范围：以酵母对交配信息素的反应为例，酵母在检测信息素浓度时，可能在低浓度阶段采用振幅编码，因为此时振幅编码在较小浓度范围内能有效工作；随着细胞靠近信息素源，浓度升高，频率编码则发挥作用，弥补振幅编码在高浓度下区分能力的不足，二者结合可使细胞在更广泛的信息素浓度范围内检测差异。

在研究结论与讨论部分，研究人员指出，振幅和频率编码的差异源于描述二者的希尔函数和指数函数的特性不同。由于兴奋动力学在生物学中广泛存在，频率编码中脉冲间隔时间与刺激强度的指数依赖关系可能普遍存在于脉冲信号系统中，且这种关系能产生较大范围的平均脉冲间隔时间，对频率编码十分有利。同时，研究人员以酵母交配反应通路为例，推测两种编码方式的结合能扩大细胞对外部刺激的可靠区分范围，未来有望通过实验进一步验证这一假设。

这项研究深入剖析了细胞信号传导中振幅和频率编码的特性与差异，为理解细胞如何精确感知和响应环境变化提供了理论依据，也为后续探索细胞信号传导机制、揭示更多生物学奥秘奠定了坚实基础。