细胞迁移在形态发⽣、伤⼝愈合和肿瘤转移等⽣命过程中发挥着核⼼作⽤，是物理、⽣物、化学、⼯程等跨学科交叉研究的前沿领域。⾃从发现细胞的趋向性，细胞迁移的研究历史已超过⼀个世纪，基本确⽴了细胞迁移的稳态运⾏机制。然⽽，迁移细胞的很重要的特性是其速度和⽅向在迁移过程中不断发⽣动态变化，有关细胞对它们的调控机制却⼀直不很清楚。
过去的研究已经涉及了细胞迁移的很多⽅⾯，如信号通路、⻣架结构、细胞形态、细胞⼒学、细胞外基质及胞外环境拓扑结构等，但是仍缺乏对细胞迁移过程中胞内扩散动⼒学的理解。
扩散是细胞内⽣物分⼦输运的物理基础，介导了许多重要的⽣物功能，在细胞迁移过程中尤为重要：细胞迁移基于细胞伪⾜前端的微丝快速聚合来推动细胞膜向前伸展，同时细胞后部的微丝解聚。
该过程中，细胞后部微丝解聚⽽成的亚基及其他相关的⼤分⼦蛋⽩借助扩散的⽅式被运输到前端并循环使⽤。同时，细胞内分⼦扩散也受到多种亚细胞结构和微环境的密切影响，⽽后者随细胞迁移过程中形态和结构的变化⽽发⽣动态调整。因此，扩散是探索细胞迁移⾏为调控机制的关键切⼊点。
最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中⼼软物质物理实验室SM1组王鹏业研究员和北京师范⼤学系统科学学院/⾮平衡系统研究所李辉教授团队合作，发现了细胞调控速度和⽅向的迁移模式切换机制。
他们在前期细胞内扩散动⼒学和细胞迁移相关问题研究的基础上，利⽤三维活细胞单分⼦跟踪技术，实时同步观测了⻆质细胞的迁移⾏为以及细胞内量⼦点的扩散动⼒学，并结合了超分辨荧光显微成像STED、原⼦⼒显微镜AFM、显微操纵等多种实验技术，系统研究了分⼦层级的胞内扩散动⼒学、亚细胞层级的伪⾜三维结构、以及细胞层级的迁移⾏为三者之间的复杂关系，发现了新的细胞迁移模式，揭示了细胞速度和⽅向的多尺度协同调控机制。
该研究发现：（1）细胞内的扩散速率与细胞的迁移速度呈正相关；（2）存在⼀种新的细胞慢速迁移模式，细胞在快速和慢速两种模式间可逆转换，以调控细胞的迁移速度。
与传统的细胞快速迁移不同，慢速迁移细胞具有前⾼后低的板状伪⾜、胞内扩散速度降低、⽣物⼤分⼦局限于伪⾜前端的特征；（3）在细胞的转向运动过程中，细胞内部扩散动⼒学和板状伪⾜三维结构出现了左右的对称性破缺，表现为处于转向外侧的伪⾜变厚且内部扩散速度下降。
基于上述研究，我们提出了⼀种细胞调控胞内局部微丝聚合以及分⼦拥挤程度的⽣物物理机制对细胞迁移模式的可逆转换进⾏了解释。
细胞能够在快慢两种迁移模式之间动态可逆的转换，就像⻋辆⾏驶中的“挡位切换”，调节了细胞的速度和⽅向，以对外部环境的各种变化做出反应。这种细胞层级的迁移模式切换，与胞内分⼦层级的扩散速度调节、以及亚细胞层级的结构调整，紧密耦合在⼀起。
本研究深化了从⽣物结构、动⼒学、到功能的联系，更加系统性的理解细胞迁移的调控过程：在细胞将要快速迁移时，其板状伪⾜开始变得⾮常扁平，扩散主要局限于准⼆维平⾯，有效提⾼了微丝亚基和其他相关蛋⽩质的输运效率，从⽽有效促进并维持细胞的快速迁移；⽽在细胞将要慢速迁移时，板状伪⾜前端开始膨胀、后端压缩，将⽣物⼤分⼦聚集在伪⾜前端，并由于分⼦局部拥挤程度的增加⽽显著降低了分⼦扩散，进⽽导致细胞迁移减慢。