[論文レビュー] Universal Persistent Brownian Motions in Confluent Tissues

Alessandro Rizzi, Sangwoo Kim|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2026

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ひとこと要約

2Dの連結組織モデルでは、2つの異なるアクティブ力モード—牽引力と接続部緊張ゆらぎ—の長時間細胞運動は、モード特有の細胞形状、再配置、時空相関に違いがあっても、持続的ブラウン運動に収束する。

ABSTRACT

Biological tissues are active materials whose non-equilibrium dynamics emerge from distinct cellular force-generating mechanisms. Using a two-dimensional active foam model, we compare the effects of traction forces and junctional tension fluctuations on confluent tissue dynamics. While these two modes of activity produce qualitatively different cell shapes, rearrangement statistics, and spatiotemporal correlations in fluid states, we find that the long-time cellular motion universally converges to persistent Brownian dynamics. This universal feature contrasts with the non-universal correlations between cell geometry, rearrangement rate, and fluidity, which depend sensitively on the underlying modes of active force. Our results demonstrate that persistent Brownian motion provides a minimal framework for describing tissue dynamics, while distinct active forces leave identifiable structural and dynamical signatures, thereby enabling inference of the dominant active force in fluid state tissues.

研究の動機と目的

• 連結モノレイヤーにおける非平衡組織ダイナミクスを駆動するアクティブ細胞力の理解を動機付ける。
• 2Dアクティブフォーム/頂点モデル内で、2つの支配的活動モード—牽引力と接線張力ゆらぎ—を比較する。
• 長時間の細胞運動の普遍的特徴と、流体状態におけるモード特有の署名を同定する。

提案手法

• 連結条件下の二次元アクティブフォーム/頂点モデルを用いて組織ダイナミクスをシミュレーションする。
• 牽引をポラリティが回転拡散を経て自己推進として表現し、張力ゆらぎをオルソステーン＝ウーエンコック過程でモデル化する。
• 摩擦を抑えたラグランジュ方程式（過減衰ラグランジアン）を、張力・法線・牽引力から生じる力で頂点位置に対して解く。
• MSRD（平均二乗相対変位）を分析して固体状態と流体状態を分類し、持続的ダイナミクスを抽出する。
• 細胞形状指標（形状因子q、アスペクト比α）を計算し、T1転移を追跡して再配置とエネルギー景観を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 牽引力と張力ゆらぎは、連結組織における流体化とセル再配置にそれぞれどのような影響を与えるのか。
• RQ2 これらアクティブモード間で、長時間の細胞運動の普遍的特徴は何か。
• RQ3 細胞形状とT1動力学は、各モード下で流動性とどのように相関するか。
• RQ4 非普遍的な短時間相関にもかかわらず、長時間のMSD/MSRDを持続的ブラウン運動で記述できるのか。
• RQ5 組織内の支配的アクティブ力を示す指標として、構造とダイナミクスにどのような特徴が現れるか。

主な発見

• 牽引優勢と張力ゆらぎ優勢の両方の流体で、長時間の細胞運動は普遍的に持続的ブラウン運動で記述される。
• 両モードとも velocity 相関を調整した後、自由パラメータなしでMSRD(t*)が持続的ブラウン運動の枠組みにスケーリングされる。
• 牽引と張力ゆらぎは、細胞形状指標と流動性の間の相関に非普遍性を生じさせ、モード特有の構造ダイナミクスを反映する。
• 牽引駆動の再配置は一軸方向の伸長と高いT1成功率を示し、停滞時間はゼロに近い。一方、張力ゆらぎは緩く、非常に曲率の高い接線を生み、有限のT1停滞と多くの不成功イベントを生む。
• 速度相関は牽引下で集合運動と速度持続性を示すが、張力ゆらぎ下ではほぼ集合的ではない。
• 速度相関長によるMSRDの修正によりデータは2つの分岐に崩れ、長時間の普遍的挙動を、microscopicな機構の違いにもかかわらず示す。