对于单个细胞如何感知其组织环境的宏观几何形状，我们知之甚少。在此，我们探讨远程电信号是否能将组织几何结构的信息传递给单个细胞。首先，我们研究了一种工程的电兴奋细胞系。在不同形状的有图案岛屿上生长的细胞在其他相同条件下表现出明显不同的放电模式，包括有规律的脉冲、倍周期交替和心律失常放电。霍奇金-赫胥黎数值模型定量再现了这些效应，展示了宏观几何结构如何通过间隙连接介导的电耦合影响单细胞电生理。在人诱导多能干细胞(iPSC)来源的心肌细胞中观察到定性相似的几何依赖动力学。在将体外心律失常的观察结果转化为体内的预测时，心脏的结果提醒我们要小心，因为体内的组织结构非常不同。我们研究如何外推不同几何形状和不同间隙接合点的组织之间的电生理测量。

多细胞生物中的细胞通过可扩散分子、接触相互作用和机械信号感知其在组织中的位置(Warmflash et al.， 2014)

)。间隙连接介导的电信号原则上也可以提供长期位置线索(Sundelacruz et al.， 2009)

)，但由于上述所有信号模式之间同时存在交互作用，很难确定机制细节。在这里，我们使用一个简单的基因工程易兴奋组织来询问组织内部细胞的电动力学是如何受到远端边界的影响的。

通过膜片钳电生理学方法，详细研究了多种分离细胞的电生理特性(Hille, 2001)

)。对于孤立的细胞或小簇，尖峰动力学通常可以用简单的自回归模型来描述(Nolasco和Dahlen, 1968)

Kaplan等人，1996

，克莱和希尔，1999年

)。在扩展组织中，细胞通过缝隙连接通道与相邻细胞形成电连接。然后人们可以问，这种耦合是单个细胞上的微小扰动，还是从根本上改变了动力学。在凝聚态物理中，固体颗粒的性质与其组成原子的性质有很大的不同。同样，大块组织的突生电特性可能与单个细胞的电特性有显著差异。事实上，最近的理论工作表明，在可兴奋性组织中，电传导可以改变稳定性和心律失常之间的转变(Cherry and Fenton, 2004)

，塞特林鲍姆和基纳，2002年

)。

人们对长距离电耦合的兴趣大多集中在心脏上，在心脏上，有规律的和不规则的跳动之间的转换可能是生死攸关的问题。电隙连接的重排与心律失常的发生有关(Jongsma和Wilders, 2000)

)，结构缺陷也可以作为心律失常的核心(Roes et al.， 2009)

)。在这两种情况下，由于同时发生机电反馈，很难确定电耦合的因果作用(Bers, 2002)

， Nitsan等人，2016

和单细胞性质的变化(Ng et al.， 2010)

， Amin等人，2010年

，休谟和上原，1985年

， Werley等人，2017b

)。此外，心脏模型的多样性以及模型参数的不确定性给与实验的比较带来了挑战(Clayton et al.， 2011)

，塞特林鲍姆和基纳，2002年

)。只有少数实验明确探讨了细胞间耦合在心脏动力学中的作用(Bub et al.， 2002)

， Bub等人，2005年

， Rohr等人，1997

)。

关于几何学在心脏稳定性中的作用的不确定性有一个重要的实际意义:人们广泛宣称，如果人类诱导多能干细胞(iPSC)来源的心肌细胞(hiPSC-CMs)可以显示成熟的离子通道表达模式(Du et al.， 2015)

， Denning et al.， 2016

，杨等人，2014年

， Protze等人，2017年

)，那么体外培养将成为研究心律失常的有用底物(Hoekstra et al.， 2012)

， Colatsky等人，2016年

， Sharma等人，2013年

， Birket等人，2015年

)。美国食品和药物管理局(FDA)赞助了一项名为“全面体外心律失常分析”(CiPA)的大规模研究，以hipscs - cms为底物，评估候选疗法的心律失常风险。然而，如果在培养的细胞和完整的ti之间发现基本几何驱动的稳定性差异，则需要重新考虑这种方法