阿里巴巴DAMO院推出虚拟细胞世界

在生物学研究的浩瀚海洋中，单细胞分析一直是科学家们窥探生命奥秘的重要窗口。就在最近，阿里巴巴集团DAMO研究院的科学家们发表了一项令人瞩目的研究成果，这项发表于2026年3月27日的研究论文（编号：arXiv:2603.25240v1）为我们展现了一个全新的科学视野：用人工智能技术构建虚拟细胞世界。

回到十多年前，当科学家们首次能够观察单个细胞内部发生的事情时，那种兴奋感就像天文学家发现了新的星系一样。单细胞RNA测序技术的出现，让研究人员能够详细了解每个细胞在特定时刻的"表情"——也就是哪些基因正在工作，哪些处于休息状态。这就好比给每个细胞拍了一张详细的"基因表达快照"，显示出细胞当时的活动状态。

然而，即使有了这些珍贵的快照，科学家们面临的问题就像一个收集了成千上万张照片的摄影师：如何从这些静态图像中理解动态的故事？更关键的是，如何预测当环境发生变化时，细胞会有什么反应？就像天气预报员需要根据当前的大气数据预测明天的天气一样，生物学家们迫切需要一种工具，能够预测细胞在面对药物治疗、基因编辑或环境变化时会发生什么变化。

这正是阿里巴巴DAMO研究院团队着手解决的核心问题。他们的创新思路可以用一个简单的比喻来理解：如果把细胞比作演员，传统的研究方法只能拍摄演员的剧照，而研究团队想要做的是创造一个虚拟的"细胞剧场"，不仅能重现演员的各种表情和动作，还能预测当剧情发生变化时，演员会如何反应。

研究团队将这个虚拟的细胞世界命名为"Lingshu-Cell"，这个名字蕴含着深刻的寓意。"Lingshu"来源于中医经典《黄帝内经·灵枢》，象征着对生命奥秘的探索。就像古代医者通过观察和推理来理解人体运作规律一样，现代科学家们正在用人工智能技术来构建一个能够模拟细胞行为的数字世界。

这项研究的突破性在于，它首次实现了在虚拟环境中精确模拟细胞状态的变化。传统方法就像是在显微镜下观察细胞的一张张静态照片，而Lingshu-Cell则像是制作了一部细胞的动态电影，不仅能展现细胞的当前状态，还能预测它们在各种干预下的未来表现。这种能力对于药物开发、疾病治疗和基础生物学研究具有革命性的意义。

**一、细胞世界的数字孪生：从静态观察到动态预测**

要理解Lingshu-Cell的工作原理，我们可以先想象一个熟悉的场景：语言翻译。当我们使用翻译软件将一句中文翻译成英文时，软件需要理解每个词的含义，还要掌握语法规则，最终生成流畅的英文句子。Lingshu-Cell的工作方式与此类似，只是它翻译的不是语言，而是细胞的"基因表达语言"。

在细胞的世界里，每个基因就像一个词汇，它们的表达水平就像词汇在句子中的重要程度。一个细胞的完整状态就像一篇包含约18000个"词汇"的长文章，描述着细胞当前的所有活动。传统的研究方法只能记录这些文章的内容，但无法创作新的文章或预测文章在不同情况下会如何变化。

Lingshu-Cell的核心创新在于采用了一种叫做"掩码离散扩散模型"的技术。这个复杂的名词听起来很抽象，但其原理可以用一个有趣的游戏来解释。想象你在玩一个词语填空游戏：给你一个句子，但其中的某些词被遮挡了，你需要根据上下文猜出被遮挡的词。Lingshu-Cell就是在玩这样一个游戏，只是规模要大得多——它需要在一个包含18000个"词汇"的细胞"文章"中填空。

这种方法的巧妙之处在于，它不需要按照固定的顺序来预测基因表达，就像你可以先猜出句子中间的词，再猜开头和结尾的词一样。这种灵活性使得模型能够更好地理解基因之间的复杂关系，就像一个优秀的填字游戏玩家能够同时考虑横向和纵向的线索一样。

在训练过程中，Lingshu-Cell学习了大量真实细胞的"基因表达文章"。研究团队收集了来自不同组织、不同物种的数百万个细胞样本，让模型逐渐掌握细胞表达的规律和模式。这个过程就像让一个学生阅读成千上万本书，最终培养出优秀的写作能力。

更令人惊叹的是，Lingshu-Cell不仅能够生成逼真的细胞状态，还能根据特定的条件进行有针对性的生成。比如，当研究人员想了解某种药物对细胞的影响时，他们可以向模型提供药物信息作为"写作提示"，模型就会生成相应的细胞反应状态，就像给作家一个主题，他能写出相关的故事一样。

**二、虚拟细胞剧场：模拟真实世界的细胞多样性**

如果说传统的细胞研究像是在博物馆里观看标本，那么Lingshu-Cell就像是创建了一个活生生的细胞动物园，里面生活着各种各样的虚拟细胞，它们的行为与真实细胞惊人地相似。

为了验证这个虚拟动物园的真实性，研究团队进行了一系列精心设计的测试。他们首先用模型生成了10000个虚拟的血液免疫细胞，然后将这些虚拟细胞与真实的血液样本进行比较。结果令人振奋：虚拟细胞不仅在外观特征上与真实细胞相似，连各种细胞类型的比例都保持了高度一致。

这种相似性不仅体现在细胞的整体特征上，还延伸到了细胞的"个性标签"——特异性基因表达模式。就像每个人都有独特的指纹一样，每种类型的细胞都有其特有的基因表达特征。比如，T细胞会高表达CD3D基因，就像它们的身份证一样。Lingshu-Cell生成的虚拟T细胞同样携带着这些正确的"身份证"，证明了模型对细胞身份识别的准确性。

为了进一步测试模型的通用性，研究团队将其应用到了更广泛的生物学领域。他们成功地模拟了人类大脑皮层的神经元、心脏细胞、肺部细胞和结肠细胞等多种组织类型。每种组织都像一个不同的生态系统，有着独特的细胞组成和功能特征。令人惊叹的是，Lingshu-Cell在每个生态系统中都表现出色，准确地重现了各种细胞类型的特征和比例。

更加令人兴奋的是，这个虚拟细胞世界还跨越了物种的边界。研究团队成功地用同一个模型模拟了小鼠、恒河猴、斑马鱼甚至果蝇的细胞。这就像一个万能的翻译器，不仅能翻译不同的人类语言，还能理解动物的"语言"。每个物种的细胞都有其独特的"方言"，但Lingshu-Cell都能准确地掌握和重现。

这种跨物种的建模能力具有重要的科学价值。在药物研发过程中，科学家们经常需要在不同的动物模型中测试药物效果，然后推测其在人体中的表现。有了Lingshu-Cell，研究人员可以在虚拟环境中快速比较不同物种对同一种干预的反应，大大加速研究进程，同时减少对实验动物的需求。

**三、基因编辑的数字预演：预测CRISPR带来的细胞变化**

在现代生物技术的武器库中，CRISPR基因编辑技术无疑是最锋利的"手术刀"。它能够精确地修改细胞中的特定基因，就像用文字处理软件编辑文档一样简单。然而，就像任何手术一样，基因编辑的效果往往难以预测，有时甚至会产生意想不到的后果。

这正是Lingshu-Cell大显身手的领域。研究团队将模型扩展为一个能够预测基因编辑效果的"数字水晶球"。当科学家想要了解敲除某个特定基因会对细胞产生什么影响时，他们不再需要进行昂贵且耗时的实验，而是可以先在虚拟环境中进行"彩排"。

为了验证这种预测能力，研究团队参与了一个名为"虚拟细胞挑战赛"的国际竞赛。这个竞赛就像是生物学界的"算法竞赛"，参赛者需要根据给定的细胞类型和基因编辑目标，预测编辑后细胞的表达变化。比赛的难点在于，参赛者只能使用训练数据中的部分基因编辑实验结果，然后预测从未见过的基因编辑组合的效果。

在这个充满挑战的竞赛中，Lingshu-Cell表现出色，在多项评估指标中都名列前茅。特别是在预测基因表达变化的精确度方面，模型达到了前所未有的准确性。这就像一个经验丰富的医生，仅凭症状描述就能准确诊断疾病一样，Lingshu-Cell能够根据基因编辑的目标准确预测细胞的反应。

更令人印象深刻的是，模型在处理全新的基因编辑组合时仍然保持了高准确性。这意味着即使面对从未见过的基因编辑"配方"，Lingshu-Cell也能给出可靠的预测，就像一个优秀的厨师即使面对新的食材组合，也能预测出菜品的大致味道。

为了提高预测的准确性，研究团队还开发了几个巧妙的技术策略。其中一个叫做"无分类器引导"的技术，就像给模型配备了一个"偏好调节器"。当模型生成细胞状态时，这个调节器会引导模型更加关注基因编辑相关的变化，而不是产生一般的细胞状态。这就像告诉一个画家："请画一张风景画，但要特别突出夕阳的效果。"

另一个创新是"生物学先验知识注入"。研究团队意识到，虽然人工智能很强大，但它缺乏生物学家积累的领域知识。因此，他们将已知的基因功能信息融入到模型的预测过程中，就像给GPS导航系统提供最新的道路信息一样，使预测更加准确和可靠。

**四、细胞因子的虚拟实验室：模拟免疫系统的复杂反应**

如果说基因编辑像是对细胞进行"基因手术"，那么细胞因子就像是细胞之间传递信息的"化学信使"。这些分子在免疫系统中扮演着至关重要的角色，它们能够激活、抑制或调节细胞的各种功能，就像交响乐指挥家用手势指挥不同乐器演奏一样。

理解细胞因子如何影响细胞行为对于免疫学研究和药物开发具有重要意义。然而，传统的实验方法既昂贵又耗时，而且很难同时测试多种细胞因子的组合效果。这就像要了解不同调料对菜品味道的影响，传统方法需要制作成百上千道菜来逐一品尝，效率极低。

Lingshu-Cell为这个问题提供了一个优雅的解决方案。研究团队将模型扩展到能够预测细胞因子刺激的效果，创建了一个虚拟的免疫实验室。在这个实验室中，科学家可以快速测试不同细胞因子对不同类型免疫细胞的影响，就像在电脑游戏中模拟不同策略的效果一样。

为了验证这种能力，研究团队使用了一个包含1000万个人类血液细胞的大型数据集。这个数据集记录了来自12个不同捐赠者的免疫细胞在90种不同细胞因子刺激下的反应。这就像一个巨大的"细胞反应字典"，记录着各种细胞在不同刺激下的"表情变化"。

在测试中，研究团队故意保留了一部分数据作为"考试题目"，让模型在没有见过正确答案的情况下预测细胞反应。结果显示，Lingshu-Cell不仅能够准确预测单个细胞因子的效果，还能处理更复杂的情况，比如同一个细胞因子对不同个体免疫细胞产生的差异化反应。

这种个体化预测能力具有重要的临床意义。就像同样的药物在不同患者身上可能产生不同效果一样，同样的细胞因子刺激在不同人的免疫细胞上也可能引发不同的反应。Lingshu-Cell能够考虑到这种个体差异，为个性化免疫治疗提供支持。

更令人兴奋的是，模型在处理全新的细胞因子和个体组合时仍然保持了高准确性。这意味着科学家可以使用Lingshu-Cell来探索全新的治疗策略，预测某种新发现的细胞因子在特定患者群体中的潜在效果，大大加速药物开发和临床试验的设计过程。

**五、技术创新的三大支柱：让虚拟细胞世界成为现实**

Lingshu-Cell的成功并非偶然，而是建立在三个关键技术创新的基础之上。这三个创新就像三根支柱，共同支撑起了这个虚拟细胞世界的大厦。

第一根支柱是"离散token化表示"。传统的人工智能模型通常处理连续的数值，就像处理温度计上的连续刻度一样。但是基因表达数据本质上是离散的计数数据，就像计算房间里有多少人一样，只能是整数。强行将这种离散数据转换为连续数据，就像把整数强制转换为小数一样，会损失重要信息。

Lingshu-Cell巧妙地保持了数据的离散性质，将每个基因的表达水平转换为特定的"词汇标记"。这种方法就像为基因表达创建了一套专门的"字母表"，每个表达水平都对应一个特定的字母。这样，一个细胞的完整状态就变成了一个由18000个"字母"组成的"单词"，而模型的任务就是学会正确地"拼写"这些单词。

第二根支柱是"序列压缩技术"。处理包含18000个基因的完整细胞状态对计算资源的要求极高，就像同时处理一本厚厚的百科全书一样困难。为了解决这个问题，研究团队开发了一种智能压缩技术，将长序列压缩成较短的表示形式，但保持所有重要信息。

这种压缩就像将一本厚书制作成精简版，去掉冗余内容但保留核心信息。具体来说，模型将相邻的基因表达信息进行组合和压缩，将原本需要处理的18000个位置减少到约2000个位置，大大提高了处理效率。更重要的是，这种随机组合的方式实际上还有助于模型发现基因之间的隐藏关系，就像将拼图的不同部分重新组合可能发现新的图案一样。

第三根支柱是"条件生成框架"。这个技术使得Lingshu-Cell不仅能够生成一般的细胞状态，还能根据特定条件生成有针对性的预测。这就像一个多才多艺的演员，不仅会基本表演，还能根据导演的要求表演特定的角色和情绪。

在条件生成中，研究团队将细胞类型、个体身份和干预信息（如基因编辑目标或细胞因子类型）作为额外的"提示词"输入给模型。模型学会了如何将这些提示词与基因表达模式关联起来，从而能够生成符合特定条件的细胞状态。这种方法的强大之处在于，即使面对训练时从未见过的条件组合，模型也能进行合理的推断和预测。

这三个技术创新的结合创造了一个前所未有的细胞建模系统。它不仅能够准确模拟现有的细胞状态，还能预测未来的变化，为生物医学研究开辟了全新的可能性。

**六、数字生物学的新时代：影响与展望**

Lingshu-Cell的出现标志着我们正在步入数字生物学的新时代。这个虚拟细胞世界不仅仅是一个技术演示，更是一扇通向未来医学和生物学研究的大门。

在药物开发领域，这项技术可能彻底改变游戏规则。传统的药物开发需要经过漫长的实验室测试和临床试验，费时费力且成本高昂。而有了Lingshu-Cell，研究人员可以在虚拟环境中快速筛选数百万种潜在药物化合物，预测它们对不同类型细胞的影响。这就像用电脑游戏来训练飞行员一样，大大降低了成本和风险。

更令人兴奋的是个性化医疗的前景。由于Lingshu-Cell能够考虑不同个体的细胞特征差异，它有望为每个患者量身定制最适合的治疗方案。想象一下，医生可以在虚拟环境中测试不同的治疗方法，预测哪种方案对特定患者最有效，然后再实施真正的治疗。这就像为每个患者制作专属的"治疗预告片"，让医疗决策更加精准和有效。

在基础生物学研究方面，Lingshu-Cell为科学家们提供了一个强大的探索工具。研究人员可以在虚拟环境中测试各种假设，探索基因功能和细胞行为的复杂关系。这种"数字实验"的方法不仅速度快，还能同时测试大量不同的条件组合，发现传统实验方法难以捕捉的微妙模式。

然而，正如任何革命性技术一样，Lingshu-Cell也面临着一些挑战和限制。首先是数据质量和完整性的问题。虽然模型能够很好地重现训练数据中的模式，但如果原始数据存在偏差或局限性，模型的预测也会相应地受到影响。这就像用有色眼镜观察世界，看到的景象会带有镜片的颜色。

其次是生物学复杂性的挑战。真实的生物系统极其复杂，细胞不是孤立存在的，而是在复杂的组织环境中相互作用。目前的模型主要关注单细胞水平的转录组数据，但细胞的行为还受到蛋白质、代谢物、表观遗传修饰等多种因素的影响。这就像仅凭演员的台词来理解整部电影，虽然有用，但可能错过重要的情节和背景。

此外，模型预测的生物学意义验证仍然需要大量的实验工作。虽然Lingshu-Cell能够生成看起来合理的细胞状态，但这些预测是否真正反映了生物学现实，还需要通过实验来确认。这就像天气预报需要通过实际天气来验证一样，数字生物学的预测也需要生物学实验的验证。

尽管存在这些挑战，Lingshu-Cell代表了生物信息学和人工智能融合的一个重要里程碑。它展示了如何将先进的机器学习技术应用到复杂的生物学问题上，为未来的研究奠定了坚实的基础。随着数据量的增加和技术的完善，我们有理由相信这种虚拟细胞世界将变得越来越精确和实用。

**七、迈向虚拟生命科学的未来**

回顾人类科学发展的历史，每一次重大技术突破都为我们打开了新的认知窗口。从显微镜让我们看到细胞的存在，到DNA测序技术揭示遗传密码，再到单细胞测序技术让我们窥探每个细胞的秘密，现在Lingshu-Cell又为我们提供了一个全新的工具：在数字世界中模拟和预测生命现象。

这项技术的价值不仅在于其当前的能力，更在于它所代表的科学范式的转变。传统的生物学研究主要依赖观察和描述，科学家们像博物学家一样收集和分类各种生物现象。而现在，我们正在转向一种更加主动和预测性的研究模式，科学家们可以像工程师一样设计和测试各种生物学假设。

这种范式转变的深远意义还体现在科学研究的民主化上。传统的生物学实验往往需要昂贵的设备和专业的实验室，这使得许多有创新想法的研究者难以实施他们的研究计划。而虚拟细胞世界为更多的研究者提供了探索生物学问题的机会，只要有计算机和网络连接，世界各地的科学家都可以进行复杂的细胞行为研究。

同时，这项技术也可能催生全新的职业和研究领域。就像计算机的发明创造了软件工程师这个职业一样，虚拟细胞建模可能会产生"数字生物学家"这样的新角色。这些专业人士将专门从事虚拟生物系统的设计、优化和应用，成为连接传统生物学家和计算科学家的桥梁。

从更宏观的角度看，Lingshu-Cell的成功也反映了跨学科合作的重要性。这项研究融合了生物学、计算机科学、数学和统计学等多个领域的知识，体现了现代科学研究越来越需要不同学科专家的协同合作。这种跨学科的研究模式可能成为未来科学发展的重要趋势。

当然，我们也需要以理性的态度看待这项技术。虽然Lingshu-Cell取得了令人瞩目的成果，但它仍然是一个相对年轻的技术，需要时间来完善和成熟。就像早期的天气预报系统一样，虽然原理正确且前景广阔，但在精确度和可靠性方面还有很大的提升空间。

说到底，Lingshu-Cell为我们展示了人工智能与生命科学深度融合的巨大潜力。它不是要取代传统的生物学研究方法，而是为科学家们提供了一个全新的工具箱。就像望远镜没有取代肉眼观察，而是扩展了我们的视野一样，虚拟细胞建模技术将扩展生物学家们的研究能力，让我们能够探索以前无法触及的生命奥秘。

在这个充满可能性的新时代，我们有理由对未来保持乐观。也许在不久的将来，每个人都能拥有自己的"数字细胞化身"，医生可以在这个化身上测试不同的治疗方案，找到最适合每个人的个性化医疗策略。也许科学家们将能够在虚拟环境中设计全新的生物系统，为环境保护、食品生产和疾病治疗提供创新的解决方案。

这项由阿里巴巴DAMO研究院开创的工作，不仅展现了中国科学家在前沿技术领域的创新能力，也为全球科学界提供了一个宝贵的研究平台。有兴趣深入了解这项研究技术细节的读者，可以通过论文编号arXiv:2603.25240v1查询完整的学术论文。相信随着更多研究者的参与和技术的不断完善，这个虚拟细胞世界将变得更加精确和强大，为人类健康和科学发现做出更大的贡献。

Q&A

Q1：Lingshu-Cell是什么？

A：Lingshu-Cell是阿里巴巴DAMO研究院开发的一个虚拟细胞世界建模系统。它使用人工智能技术来模拟细胞的基因表达状态，不仅能生成逼真的细胞数据，还能预测细胞在基因编辑、药物刺激等干预下的反应变化。

Q2：虚拟细胞建模对普通人有什么意义？

A：这项技术可能革命性地改变医疗方式。未来医生可以在虚拟环境中为每个患者测试不同治疗方案，预测哪种方法最有效，实现真正的个性化医疗。同时还能加速药物开发，降低新药研发成本和时间。

Q3：Lingshu-Cell能完全替代传统生物学实验吗？

A：目前还不能完全替代。虽然Lingshu-Cell能够进行高精度的预测和模拟，但其预测结果仍需要通过实际实验来验证。它更像是为科学家提供了一个强大的"数字实验室"，能够在进行昂贵的实际实验之前进行初步筛选和预测。