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来源： 发布时间：2020-11-13
Nature
极端降雨引发2018年基拉韦厄火山裂缝喷发
Nature封面：夏威夷基拉韦厄火山（Kīlauea volcano）2018年发生裂缝喷发期间的熔岩流。Nature杂志第7804期封面文章报道了熔岩的大量涌出可能是由极端降雨导致的。2018年基拉韦厄火山喷发前几个月里的异常强降雨渗透进了火山地表下，令来自地下水的压力增至50年来最高水平。这会让岩石变得脆弱，形成裂缝，并让岩浆在新的位置上升，最终发生突然喷发。基拉韦厄火山自1790年以来约60%的喷发都发生在一年中最湿润的季节。增强理解降雨和火山活动之间可能存在的耦合关系，或能提高对火山活动的预测。
最小的可收缩杀菌纳米机器的作用
Nature封面：绿脓杆菌（Pseudomonas aeruginosa）的R型细菌素蛋白复合体的艺术示意图。Nature杂志第7805期封面文章报道了绿脓杆菌素R2收缩前和收缩后状态的高分辨率结构。细菌素是可收缩的分子“注射器”——相当于一种纳米机器；一种细菌产生的细菌素可以刺穿另一种细菌的细胞膜，完成了致命的一击。研究人员可以据此详细推测细菌素如何作用，为了解如何有可能将R型细菌素开发为一种新型抗菌剂提供线索。
一种兽脚类恐龙在水中的尾部推进式游动
Nature封面：大型兽脚类恐龙埃及棘龙（Spinosaurus aegyptiacus）的艺术再现图。Nature杂志第7806期封面文章报道了一块棘龙化石，其中保存的一根形状奇特的尾骨似乎适应在水中摆动，产生推力。该化石发现于摩洛哥东南部已有9700万年历史的卡玛卡玛地层（Kem Kem Beds），是迄今为止在非洲大陆发现的白垩纪兽脚类恐龙的最完整骨架。这根灵活的尾骨长有很高的神经棘，应该曾具备左右大幅摆动的能力。研究人员通过建模研究表明，这根尾骨能产生很大的推力，说明棘龙可能曾以类似于现代鳄类的姿态在水中游动。
基于孤子微梳的巨量并行相干激光测距
Nature封面：视线——LINE OF SIGHT。Nature杂志第7807期封面文章报道了一种基于采用了光子芯片的孤子微梳的激光雷达装置。激光雷达是自动驾驶汽车的一项关键技术，因为这相当于车辆的眼睛。激光雷达使用激光照亮物体，再通过测量反射脉冲来计算物体的距离和速度。该系统要有效，就必须阻断来自太阳和其他光源的干扰。光源发出光学频率等间隔分布的宽谱锐线，使系统可以在30个独立的通道上进行并行测量。研究人员认为该系统有望成为紧凑型巨量并行超高帧频相干激光雷达的基础。
（本页期刊封面图来自Nature官网）
Science
在几秒钟内合成和烧结块状陶瓷的通用方法
Science封面：快速陶瓷。Science杂志第6490期封面文章报道了一种超快高温烧结方法，可以在10秒内将氧化前体制成陶瓷材料，从而实现了高性能陶瓷的快速筛选和发现。陶瓷广泛用于电池、电子产品和极端环境中。但传统的陶瓷烧结（用于制造陶瓷物体的烧结过程的一部分）通常需要数小时的处理时间。为了克服这一挑战，美国马里兰大学等研究机构的科研人员开发了一种称为超快高温烧结（UHS）的陶瓷合成方法，该方法具有温度分布均匀、高升温、高冷却速率和高烧结温度的特点。
免疫系统的第一步
Science封面：母亲与孩子，图中有许多马赛克，是由各种类型的免疫细胞组合而成。Science杂志第6491期专刊庆祝了早期生命免疫学的最新进展，这将有助于对抗儿童感染并为后期生活中免疫疾病提供策略。早期的免疫系统不是孤立地发展的，而是被母体细胞、共生微生物和病原体强烈地影响。越来越多的证据表明，生命早期开始的免疫系统发育可能会影响到以后生活中诸如过敏反应、自身免疫、生殖和神经精神疾病等疾病发展的风险，这也进一步强调了这类研究的长远意义，包括疫苗接种战略以及治疗早产等疾病的疗法基础。
森林微气候动力学驱动植物对变暖的反应
Science封面：光线穿过德国汉诺威的艾琳里德市森林树木。Science杂志第6492期封面文章报道了森林微气候研究进展。生态功能和生物多样性的变化随着气候变暖而加速。然而，科学家们对气候影响的认识很大程度上是基于气象站测量的温度数据，这些数据记录了在短草原一米以上的受控环境下的自由空气温度（宏观气候）。Zellweger等人利用模拟的林下小气候动力学表明，大气候变化并不总是驱动地球生物多样性的生态。增加的树木覆盖可以降低冠层以下的极端温度。这种温度缓冲效应减缓了局部变暖，保护植物免受气候变化的影响。
将真菌基因植入小麦
Science封面：在小麦小穗上生长的镰刀菌（橙色）。Science杂志第6493期封面文章报道了从小麦近缘植物长穗偃麦草中克隆出抗赤霉病基因Fhb7，并揭示了其抗病分子机制。小麦赤霉病是世界范围内极具毁灭性且防治困难的真菌病害。山东农业大学孔令让团队找到攻克小麦赤霉病的“金钥匙”。Fhb7基因转移至小麦品种，明确了其在小麦抗病育种中的稳定抗性和应用价值。研究同时表明，Fhb7基因对很多镰刀菌属病原菌具有广谱抗性，携带该基因的小麦品系在抗赤霉病的同时，对小麦另一重大病害茎基腐病也表现出了明显抗性。
（本页期刊封面图来自Science官网）
神经科学
母亲消极教养影响青少年抑郁情绪的神经基础及其遗传效应
中国科学院心理健康重点实验室李新影研究组与北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室秦绍正团队合作，考察青少年早期（13岁左右）的母亲教养方式对青少年中期（16岁左右）杏仁核脑环路发育及抑郁症状的影响，并明确遗传因素所占的比重。相关论文发表于Biological Psychiatry。结果发现，青少年早期母亲以过度严厉、敌意为典型特征的消极教养方式，会影响青少年中期以杏仁核及其相关亚区为核心的脑网络功能连接模式。其中，杏仁核与腹外侧前额叶（vlPFC）的功能连接增强在母亲消极教养与青少年抑郁之间起着关键的中介作用。结合基于脑的双生子ACE模型发现，杏仁核-腹外侧前额叶环路的遗传度为21%。
大脑中颜色感知的调色板机制
北京大学生命科学学院唐世明研究组与中国科学院神经科学研究所王伟研究组合作，利用内源性信号光学成像、双光子成像和电生理记录等手段，开展了猕猴V1、V2和V4等级化的颜色处理机制研究。相关论文发表于Neuron。大脑能感知丰富多彩的颜色世界并非是顺理成章的事情。在初级视皮层V1中，对于处在可见光波段两端的红色和蓝色，选择性反应的神经元要比编码其他颜色的神经元多，但这种不均衡的“调色板”在V2脑区逐渐得以改善，而在V4对7种颜色编码的神经元数量则已经变得较为均衡，形成调和均衡的七彩调色板。因此，大脑中与我们主观颜色感知匹配的色调图（调色板）是在较高级的皮层完成的。
左右脑白质纤维连接的遗传关联规律
北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室的龚高浪研究组利用双生子和家系人群的弥散磁共振脑影像数据，从遗传度相似性和遗传相关性两个角度，揭示了左右侧同源脑白质连接的遗传关联规律。相关论文发表于Cerebral Cortex。人脑左右半球的同源白质连接具有高度相似和耦合的遗传度模式，未发现存在遗传度显著差异的左右脑同源白质连接；相比于大脑皮层间的白质连接，皮下核团的白质连接具有更高的遗传度；相比于短距离的白质连接，长距离的白质纤维具有更高的遗传度。相比于大脑皮层间的白质连接，皮下核团的左右脑同源白质连接的遗传因子呈现出完全重叠的几率更高。
中国人群生活方式、多组学特征与临床前痴呆研究
复旦大学人类表型组研究院青年研究员陈兴栋团队报告了多表型自然人群队列建设成果。相关论文发表于Alzheimer’s & Dementia。2013年始，复旦大学联合多家单位在“泰州队列”人群中选择3个农村社区约1000名全部55.65岁的健康志愿者构建“泰州脑影像队列”，进行认知衰老和早期脑动脉硬化性疾病研究。论文详细介绍了团队基于表型组学方法，我国自然人群队列之一“泰州队列”框架下系统设计的子队列——“泰州脑影像队列”（Taizhou Imaging Study）的建设及进展情况，包括该子队列的建设目标、研究设计、表型采集内容、可支撑的研究方向、已取得的初步研究成果、未来规划等。
谷氨酸能神经元对睡眠稳态调节具有重要作用
中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、上海脑科学与类脑研究中心徐敏研究组与多位合作者利用新型遗传编码的腺苷探针，发现基底前脑区的谷氨酸能神经元对于睡眠压力的积累起着重要的调控作用。相关论文发表于Science。睡眠是动物界普遍存在的现象。研究表明腺苷浓度在睡眠时相转变时存在快速的变化，提示其与神经元的活动密切相关。谷氨酸能神经元的活动参与调控胞外腺苷积累过程。基底前脑区的谷氨酸能神经元对睡眠压力的积累起到了重要调控作用。文章揭示了睡眠稳态调控的神经环路机制，为探索睡眠障碍的治疗方法提供了参考。
双相情感障碍研究进展
广西神经系统疾病临床医学研究中心蒙庆团与中南大学刘春宇、陈超等合作，发现了蛋白质编码基因GNL3是双相情感障碍（BD）的风险基因。相关论文发表于Molecular Psychiatry。通过人神经祖细胞进行了CRISPR干扰（CRISPRi）和双荧光素酶实验，发现了与BD相关的3个SNPs（rs10865973，rs12635140和rs4687644）影响GNL3的表达，而且BD风险相关的等位基因对应更高的GNL3表达水平。进一步在人神经祖细胞和3D人脑类器官（brain organoid）模型中敲低和过表达GNL3，并发现GNL3表达异常会导致细胞增殖和神经元分化的异常。该研究为理解BD的遗传学基础和致病机制提供了依据。
大样本猕猴脑影像标准化模型
中国科学院昆明动物研究所客座研究员、脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）研究员王征团队建立了标准化模型，描述了单个猕猴大脑的解剖结构特征随年龄变化的轨迹。相关论文发表于Cerebral Cortex。近年来，基因编辑、克隆技术在非人灵长类上获得成功，使得研究者能够更为灵活地建立各种重大脑疾病的猕猴模型。研究发现，在这类健康群体中，具有皮层厚度和灰质体积极值异常的脑区所占百分比非常低，且在不同的个体上没有重叠。该研究为定量化分析猕猴疾病模型提供了参考对照数据与方法，有助于利用猕猴模型研究人类脑疾病的诊断与治疗。
病毒如何为脑科学研究所用
北京脑科学与类脑研究中心（CIBR）载体工程中心主任赵非团队与中国科学院武汉病毒研究所罗敏华研究员课题组联合发表综述文章，总结介绍了用于解析神经环路输出神经网络的疱疹病毒HSV1-H129（以下简称H129）示踪工具的发展过程及应用现状，并从载体工程的角度提出了该工具的潜在优化和发展预期。该论文发表于International Journal of Molecular Sciences。神经元是大脑结构和功能的基本单元，不同的神经元通过突触相互连接形成神经环路以传递处理信息，最终交织成为复杂的神经网络以完成各种生理功能。病毒工具目前已经成为解析神经环路的利器，用以了解解析不同脑区及神经元之间的物理和功能连接。
极端降雨引发2018年基拉韦厄火山裂缝喷发
Nature封面：夏威夷基拉韦厄火山（Kīlauea volcano）2018年发生裂缝喷发期间的熔岩流。Nature杂志第7804期封面文章报道了熔岩的大量涌出可能是由极端降雨导致的。2018年基拉韦厄火山喷发前几个月里的异常强降雨渗透进了火山地表下，令来自地下水的压力增至50年来最高水平。这会让岩石变得脆弱，形成裂缝，并让岩浆在新的位置上升，最终发生突然喷发。基拉韦厄火山自1790年以来约60%的喷发都发生在一年中最湿润的季节。增强理解降雨和火山活动之间可能存在的耦合关系，或能提高对火山活动的预测。
最小的可收缩杀菌纳米机器的作用
Nature封面：绿脓杆菌（Pseudomonas aeruginosa）的R型细菌素蛋白复合体的艺术示意图。Nature杂志第7805期封面文章报道了绿脓杆菌素R2收缩前和收缩后状态的高分辨率结构。细菌素是可收缩的分子“注射器”——相当于一种纳米机器；一种细菌产生的细菌素可以刺穿另一种细菌的细胞膜，完成了致命的一击。研究人员可以据此详细推测细菌素如何作用，为了解如何有可能将R型细菌素开发为一种新型抗菌剂提供线索。
一种兽脚类恐龙在水中的尾部推进式游动
Nature封面：大型兽脚类恐龙埃及棘龙（Spinosaurus aegyptiacus）的艺术再现图。Nature杂志第7806期封面文章报道了一块棘龙化石，其中保存的一根形状奇特的尾骨似乎适应在水中摆动，产生推力。该化石发现于摩洛哥东南部已有9700万年历史的卡玛卡玛地层（Kem Kem Beds），是迄今为止在非洲大陆发现的白垩纪兽脚类恐龙的最完整骨架。这根灵活的尾骨长有很高的神经棘，应该曾具备左右大幅摆动的能力。研究人员通过建模研究表明，这根尾骨能产生很大的推力，说明棘龙可能曾以类似于现代鳄类的姿态在水中游动。
基于孤子微梳的巨量并行相干激光测距
Nature封面：视线——LINE OF SIGHT。Nature杂志第7807期封面文章报道了一种基于采用了光子芯片的孤子微梳的激光雷达装置。激光雷达是自动驾驶汽车的一项关键技术，因为这相当于车辆的眼睛。激光雷达使用激光照亮物体，再通过测量反射脉冲来计算物体的距离和速度。该系统要有效，就必须阻断来自太阳和其他光源的干扰。光源发出光学频率等间隔分布的宽谱锐线，使系统可以在30个独立的通道上进行并行测量。研究人员认为该系统有望成为紧凑型巨量并行超高帧频相干激光雷达的基础。
（本页期刊封面图来自Nature官网）
Science
在几秒钟内合成和烧结块状陶瓷的通用方法
Science封面：快速陶瓷。Science杂志第6490期封面文章报道了一种超快高温烧结方法，可以在10秒内将氧化前体制成陶瓷材料，从而实现了高性能陶瓷的快速筛选和发现。陶瓷广泛用于电池、电子产品和极端环境中。但传统的陶瓷烧结（用于制造陶瓷物体的烧结过程的一部分）通常需要数小时的处理时间。为了克服这一挑战，美国马里兰大学等研究机构的科研人员开发了一种称为超快高温烧结（UHS）的陶瓷合成方法，该方法具有温度分布均匀、高升温、高冷却速率和高烧结温度的特点。
免疫系统的第一步
Science封面：母亲与孩子，图中有许多马赛克，是由各种类型的免疫细胞组合而成。Science杂志第6491期专刊庆祝了早期生命免疫学的最新进展，这将有助于对抗儿童感染并为后期生活中免疫疾病提供策略。早期的免疫系统不是孤立地发展的，而是被母体细胞、共生微生物和病原体强烈地影响。越来越多的证据表明，生命早期开始的免疫系统发育可能会影响到以后生活中诸如过敏反应、自身免疫、生殖和神经精神疾病等疾病发展的风险，这也进一步强调了这类研究的长远意义，包括疫苗接种战略以及治疗早产等疾病的疗法基础。
森林微气候动力学驱动植物对变暖的反应
Science封面：光线穿过德国汉诺威的艾琳里德市森林树木。Science杂志第6492期封面文章报道了森林微气候研究进展。生态功能和生物多样性的变化随着气候变暖而加速。然而，科学家们对气候影响的认识很大程度上是基于气象站测量的温度数据，这些数据记录了在短草原一米以上的受控环境下的自由空气温度（宏观气候）。Zellweger等人利用模拟的林下小气候动力学表明，大气候变化并不总是驱动地球生物多样性的生态。增加的树木覆盖可以降低冠层以下的极端温度。这种温度缓冲效应减缓了局部变暖，保护植物免受气候变化的影响。
将真菌基因植入小麦
Science封面：在小麦小穗上生长的镰刀菌（橙色）。Science杂志第6493期封面文章报道了从小麦近缘植物长穗偃麦草中克隆出抗赤霉病基因Fhb7，并揭示了其抗病分子机制。小麦赤霉病是世界范围内极具毁灭性且防治困难的真菌病害。山东农业大学孔令让团队找到攻克小麦赤霉病的“金钥匙”。Fhb7基因转移至小麦品种，明确了其在小麦抗病育种中的稳定抗性和应用价值。研究同时表明，Fhb7基因对很多镰刀菌属病原菌具有广谱抗性，携带该基因的小麦品系在抗赤霉病的同时，对小麦另一重大病害茎基腐病也表现出了明显抗性。
（本页期刊封面图来自Science官网）
神经科学
母亲消极教养影响青少年抑郁情绪的神经基础及其遗传效应
中国科学院心理健康重点实验室李新影研究组与北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室秦绍正团队合作，考察青少年早期（13岁左右）的母亲教养方式对青少年中期（16岁左右）杏仁核脑环路发育及抑郁症状的影响，并明确遗传因素所占的比重。相关论文发表于Biological Psychiatry。结果发现，青少年早期母亲以过度严厉、敌意为典型特征的消极教养方式，会影响青少年中期以杏仁核及其相关亚区为核心的脑网络功能连接模式。其中，杏仁核与腹外侧前额叶（vlPFC）的功能连接增强在母亲消极教养与青少年抑郁之间起着关键的中介作用。结合基于脑的双生子ACE模型发现，杏仁核-腹外侧前额叶环路的遗传度为21%。
大脑中颜色感知的调色板机制
北京大学生命科学学院唐世明研究组与中国科学院神经科学研究所王伟研究组合作，利用内源性信号光学成像、双光子成像和电生理记录等手段，开展了猕猴V1、V2和V4等级化的颜色处理机制研究。相关论文发表于Neuron。大脑能感知丰富多彩的颜色世界并非是顺理成章的事情。在初级视皮层V1中，对于处在可见光波段两端的红色和蓝色，选择性反应的神经元要比编码其他颜色的神经元多，但这种不均衡的“调色板”在V2脑区逐渐得以改善，而在V4对7种颜色编码的神经元数量则已经变得较为均衡，形成调和均衡的七彩调色板。因此，大脑中与我们主观颜色感知匹配的色调图（调色板）是在较高级的皮层完成的。
左右脑白质纤维连接的遗传关联规律
北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室的龚高浪研究组利用双生子和家系人群的弥散磁共振脑影像数据，从遗传度相似性和遗传相关性两个角度，揭示了左右侧同源脑白质连接的遗传关联规律。相关论文发表于Cerebral Cortex。人脑左右半球的同源白质连接具有高度相似和耦合的遗传度模式，未发现存在遗传度显著差异的左右脑同源白质连接；相比于大脑皮层间的白质连接，皮下核团的白质连接具有更高的遗传度；相比于短距离的白质连接，长距离的白质纤维具有更高的遗传度。相比于大脑皮层间的白质连接，皮下核团的左右脑同源白质连接的遗传因子呈现出完全重叠的几率更高。
中国人群生活方式、多组学特征与临床前痴呆研究
复旦大学人类表型组研究院青年研究员陈兴栋团队报告了多表型自然人群队列建设成果。相关论文发表于Alzheimer’s & Dementia。2013年始，复旦大学联合多家单位在“泰州队列”人群中选择3个农村社区约1000名全部55.65岁的健康志愿者构建“泰州脑影像队列”，进行认知衰老和早期脑动脉硬化性疾病研究。论文详细介绍了团队基于表型组学方法，我国自然人群队列之一“泰州队列”框架下系统设计的子队列——“泰州脑影像队列”（Taizhou Imaging Study）的建设及进展情况，包括该子队列的建设目标、研究设计、表型采集内容、可支撑的研究方向、已取得的初步研究成果、未来规划等。
谷氨酸能神经元对睡眠稳态调节具有重要作用
中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、上海脑科学与类脑研究中心徐敏研究组与多位合作者利用新型遗传编码的腺苷探针，发现基底前脑区的谷氨酸能神经元对于睡眠压力的积累起着重要的调控作用。相关论文发表于Science。睡眠是动物界普遍存在的现象。研究表明腺苷浓度在睡眠时相转变时存在快速的变化，提示其与神经元的活动密切相关。谷氨酸能神经元的活动参与调控胞外腺苷积累过程。基底前脑区的谷氨酸能神经元对睡眠压力的积累起到了重要调控作用。文章揭示了睡眠稳态调控的神经环路机制，为探索睡眠障碍的治疗方法提供了参考。
双相情感障碍研究进展
广西神经系统疾病临床医学研究中心蒙庆团与中南大学刘春宇、陈超等合作，发现了蛋白质编码基因GNL3是双相情感障碍（BD）的风险基因。相关论文发表于Molecular Psychiatry。通过人神经祖细胞进行了CRISPR干扰（CRISPRi）和双荧光素酶实验，发现了与BD相关的3个SNPs（rs10865973，rs12635140和rs4687644）影响GNL3的表达，而且BD风险相关的等位基因对应更高的GNL3表达水平。进一步在人神经祖细胞和3D人脑类器官（brain organoid）模型中敲低和过表达GNL3，并发现GNL3表达异常会导致细胞增殖和神经元分化的异常。该研究为理解BD的遗传学基础和致病机制提供了依据。
大样本猕猴脑影像标准化模型
中国科学院昆明动物研究所客座研究员、脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）研究员王征团队建立了标准化模型，描述了单个猕猴大脑的解剖结构特征随年龄变化的轨迹。相关论文发表于Cerebral Cortex。近年来，基因编辑、克隆技术在非人灵长类上获得成功，使得研究者能够更为灵活地建立各种重大脑疾病的猕猴模型。研究发现，在这类健康群体中，具有皮层厚度和灰质体积极值异常的脑区所占百分比非常低，且在不同的个体上没有重叠。该研究为定量化分析猕猴疾病模型提供了参考对照数据与方法，有助于利用猕猴模型研究人类脑疾病的诊断与治疗。
病毒如何为脑科学研究所用
北京脑科学与类脑研究中心（CIBR）载体工程中心主任赵非团队与中国科学院武汉病毒研究所罗敏华研究员课题组联合发表综述文章，总结介绍了用于解析神经环路输出神经网络的疱疹病毒HSV1-H129（以下简称H129）示踪工具的发展过程及应用现状，并从载体工程的角度提出了该工具的潜在优化和发展预期。该论文发表于International Journal of Molecular Sciences。神经元是大脑结构和功能的基本单元，不同的神经元通过突触相互连接形成神经环路以传递处理信息，最终交织成为复杂的神经网络以完成各种生理功能。病毒工具目前已经成为解析神经环路的利器，用以了解解析不同脑区及神经元之间的物理和功能连接。
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