探索人脑

 

　　《科学》封面：人类大脑的左半球，用彩色像素表示组成大脑的细胞类型。《科学》杂志第6667期特刊文章报道了成人和发育中的大脑细胞分析。我们大脑由860亿个神经元和类似数量的非神经元细胞组成。美国牵头的一项国际研究利用最先进的技术应用于动物模型，在转录、表观遗传和功能水平上分析成人和发育中的人类大脑细胞组成。这些研究主要围绕单细胞图谱、大脑发育动力学特征等5个主题进行。现阶段收集的数据能够使得研究人员解决有关人类大脑及其遗传组织的基本科学问题，细胞人脑研究进入了新时代。

 

周期性的蝉破坏了森林食物网

 

　　《科学》封面：在马里兰州中部，一只刚刚蜕皮的周期蝉经过17年的地下生活，正在晒干翅膀。《科学》杂志第6668期封面文章报道了周期蝉对鸟类觅食的群落型转变破坏了营养动力学。在北美东部的某个地方，每年都会有至少一窝周期性蝉在喝了13或17年的树根汁后从地下出现。在剩下的几周生命时光里，这些虫子大声鸣叫寻找配偶、产下后代，然后以数十亿计规模死亡。这种大规模蝉爆发改变了整个鸟类群落的正常饮食，从而间接增加了毛虫的数量和对树木的破坏。最终，这些短暂但巨大的蛋白质会对食物网产生短期和长期影响。

 

小而强大的下丘脑

 

　　《科学》封面：下丘脑。《科学》杂志第6669期特刊文章报道了下丘脑在整合维持体内平衡所需的许多身体功能方面所起的主要作用。下丘脑是大脑深处的一个小结构，由11个按位置分组的细胞核组成，与许多神经元和内分泌系统有广泛的、主要是双向的联系。它与大量其他大脑区域相连，并不知疲倦地与它们相互作用，从而调控许多基本的身体功能，以确保生物体在不断变化的环境下生存。下丘脑还能调节社会互动，包括情感、性和攻击行为。下丘脑的另一个尚未完全了解的功能是它控制睡眠的方式。下丘脑虽小，但它对一系列行为有着巨大的影响。

 

草食性限制了全球植被的成功恢复

 

　　《科学》封面：长颈羚。《科学》杂志第6670期封面文章报道了管理食草动物可以提高植被恢复工作的成功率。研究团队通过构建和分析包含64个国家、2594组实验的全球动物消费者效应数据库和全球植物互作与恢复数据库，在全球尺度上研究植食动物对植被恢复的下行效应和调控举措。在自然生态系统中，植食动物通常抑制植被多度，提高植物多样性；而在处于恢复阶段的退化生态系统中，植食动物对植物多度的抑制作用通常更为强烈，并转而显著降低植物多样性。植食动物对植被恢复的这种抑制作用对人工种植的植被及在水生生态系统中尤为强烈。

 

完成数十项任务终身学习的光子神经形态结构

 

　　清华大学电子系方璐团队开发出智能光计算终身学习架构。相关成果发表于《光：科学与应用》（Light：Science&Applications）。近年来，随着摩尔定律的停滞，以衍射神经网络为代表的光学架构作为新的计算模态，在功能和效率方面展现出巨大潜力。新开发的智能光计算终身学习架构，突破光网络单一功能限制，支撑类脑并行多任务学习。新架构通过稀疏光连接及多光谱并行计算等关键模块，赋予光计算系统超越现有技术的功能、通量与能效，为智能系统在边缘硬件的多任务部署提供了光速解决方案。新架构在功能、通量、能效上具备优势，有望提升人工智能系统的可扩展性和通用性，使机器智能拥有对现实世界复杂任务的适应能力。

 

重构脉冲输出网络的连接结构的理论与计算框架

 

　　上海交通大学自然科学研究院、数学科学学院周栋焯和李松挺团队及其合作者在大脑神经元网络的结构连接重构方面取得了重要进展。相关成果发表于《美国科学院院刊》（PNAS）。在神经科学中，准确测量神经元网络的突触连接结构信息对理解网络结构、动力学和认知功能等均具有重要意义。文章推导出4种常用因果性度量（时滞相关系数、时滞互信息、格兰杰因果关系和传递熵）在计算神经元脉冲输出信号的因果连接时彼此之间的数学理论关系，证明了这4种因果性度量计算的因果连接都与网络的结构连接高度一致，理论上揭示了因果连接和结构连接之间的定量关系，建立了基于因果连接重构网络的结构连接的计算框架。

 

开放光量子行走的高效机器学习

 

　　中国科学技术大学郭光灿院士团队中的李传锋、许小冶、韩永建等人与合肥综合性国家科学中心董少钧，以及南方科技大学翁文康等合作，首次实现高保真度混合量子态重构。相关成果发表于《科学进展》（Science Advances）。量子行走被认为在量子模拟和量子计算中具有重要研究价值，充分挖掘开放量子行走的计算和模拟能力，必须对其演化状态进行完整刻画。研究构建新型干涉测量装置以显著增加测量基数，并通过建立开放量子行走系统与受限玻尔兹曼机网络模型之间的映射，同时开发新的梯度优化算法高效训练神经网络，最终完成对具有一定规模的开放量子行走系统中混合量子态的有效表征。

 

声子玻尔兹曼输运方程计算研究进展

 

　　中国科学院计算机网络信息中心高性能计算部冯仰德、牛北方等人发展了声子玻尔兹曼输运方程的近场动力学求解方法，并对这一方法的收敛性进行了数学证明和实验验证。相关成果发表于《计算机物理通信》（Computer Physics Communications）。声子玻尔兹曼输运方程能够有效描述微纳米材料声子热输运过程。在国家重点研发计划“国家高性能计算环境领域应用平台及服务体系研究与构建”项目的支持下，研究团队基于“东方”超级计算系统和“元”超级计算系统，进行了从一维到三维模型的计算模拟。此方法可以正确描述各维度下稳态声子热输运过程，为微纳米热输运理论研究提供新的数值模拟算法。

　　

反铁磁自旋链拓扑合成磁性材料

 

　　华中科技大学化学与化工学院卢红成研究员课题组开发出拓扑合成方法，为一维自旋链和二维自旋阻挫磁格子等磁性材料的合成提供了新思路。相关成果发表于《美国化学会志》（JACS）。低维量子磁性材料在超能量子计算和新型自旋电子器件等领域有着潜在的应用。一维海森堡自旋链材料因其为最简单的低维量子磁性材料，对具有大自旋的一维海森堡自旋链材料的合成仍具有很大的挑战。研究团队提出“脱水-再水合”拓扑合成策略，成功将弱磁性零维磁性结构转化为3.3K磁有序的自旋链。磁化率、比热、穆斯堡尔谱和电子自旋共振等测试结果表明这一自旋链在极低温（0.5K）仍无长程磁有序迹象。

 

层状半导体中非平衡双曲等离激元的全光超快调控

 

　　中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心陈佳宁研究员，与国家纳米科学中心戴庆研究员、刘前研究员和苏州实验室薛孟飞副研究员联合攻关，实现了黑磷中低损耗瞬态双曲等离激元的全光开关调控。相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。近年来，各向异性的层状材料为极化激元调控提供了灵活的维度，成为极化激元中的重要平台。联合研究团队通过研究双曲等离激元近场干涉条纹随探测光入射角度的依赖关系，首次报道了黑磷中存在独特的“边界激发-针尖二次激发-边界发射”模式，证明了黑磷边界可实现自由空间光和双曲等离激元的高效互转换。

 

新型体外仿生腹膜

 

　　中国科学院沈阳自动化研究所于海波等人与合作者通过构建体外仿生腹膜，研究了纳米机械分析结果与胃癌恶性程度及腹膜转移的联系。相关成果发表于《美国化学学会纳米》（ACS NANO）。科研人员首先构建仿生腹膜组织，这个组织在内部微结构、组分、主要功能等方面与真实腹膜近似，并能够体外复现腹膜转移的过程。基于这个仿生腹膜组织，科研人员研究了小细胞外囊泡在腹膜转移过程中的作用。通过对小细胞外囊泡进行纳米机械分析，他们发现其杨氏模量可以用来区分恶性临床样本（腹水）和非恶性临床样本（腹腔冲洗液）。实验还证实从患者腹水中获得的小细胞外囊泡能刺激间皮-间充质转化，进而促进腹膜转移。

 

基于光热响应水凝胶趋光载具的水下趋光性运动

 

　　上海交通大学钱小石教授团队与香港大学方绚莱教授合作，开发了一种整体的、刺激响应的趋光软体载具，在智能软材料系统研究方面取得新进展。相关成果发表于《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）。生命体依靠刺激反应反馈回路进行自我调节运动，以获取食物和繁殖机会，并以适应性方式远离危险。这些调节运动被称为趋光性、趋旋性、趋流性和趋化性等，它们允许生物体对环境刺激做出决策。研究团队通过调整高分子水凝胶纳米复合材料内部的光-热-机械-流体相互作用，成功地在简单的均质材料中实现了人工趋光性运动，能够迅速地朝向任意方向的稳定光源自主运动，并根据光源方向的变化，自主实时准确追踪。

　　

胰岛β细胞再生机制新研究

 

　　北京大学第三医院魏蕊、洪天配、张哲副等人合作，发现肠道菌群-色氨酸代谢-GLP-1（GLP-1，L-色氨酸促进胰高糖素样肽）轴参与介导达格列净促进胰岛β细胞再生。相关成果发表于《糖尿病》（Diabetes）。2型糖尿病是一种复杂的慢性代谢性疾病，以胰岛素抵抗和胰岛素分泌功能进行性下降引起的慢性高血糖为特征。胰岛素分泌功能进行性下降的原因是胰岛β细胞衰竭，其中包括胰岛β细胞数量丢失和胰岛β细胞功能障碍。通过恢复β细胞总量和重建β细胞功能来预防或逆转胰岛β细胞衰竭是阻止2型糖尿病发生发展的重要策略。肠道菌群-色氨酸代谢-GLP-1轴介导的肠道-胰腺对话在维持胰岛β细胞数量和功能中具有重要作用。

 

抑郁症患者脑结构新研究

 

　　四川大学华西医院贾志云、龚启勇等人揭示了抑郁症患者的自杀倾向与脑结构协变网络异常的表达模式相关。相关成果发表于《生物精神病学》（Biological Psychiatry）。研究基于多中心数据，对218名有自杀倾向的抑郁症患者、230名无自杀倾向的抑郁症患者、263名无抑郁症人群对照进行了基于大脑结构协变网络的研究，首次发现脑结构网络拓扑指标在识别患者自杀意念与行为上，较传统形态学参数更具预测价值。此外，研究还揭示了伴与不伴自杀意念行为患者间脑网络的差异，主要与突触信号传导及细胞生物大分子代谢等过程有关，阐明了其背后的基因表达模式及相应的细胞分子生物学过程。

 

非酒精性脂肪肝发病机制新研究

 

　　中国医学科学院基础医学研究所黄波教授团队深入探讨了肝脏如何在糖原合成和脂肪生成之间做出选择的分子机制。相关成果发表于《科学》（Science）。脂肪肝，尤其是非酒精性脂肪肝，主要表现为过量脂肪在肝细胞中的积累，这不仅与饮食高热量密切相关，还与身体的代谢途径有关。在进食后，肝细胞中的葡萄糖优先转化为糖原，在糖原含量达到饱和之后才流向脂肪酸。新的治疗方法在小鼠实验水平进行了开展，结果发现，脂肪肝模型小鼠的肝脏脂肪积累及相关肝脏病变可以显著减少。这一发现不仅揭示了一个全新的调控肝脏能量代谢的机制，也为开发针对脂肪肝的治疗策略提供了新的靶点。

 

戊肝疫苗的10年有效性监测结果

 

　　厦门大学公共卫生学院夏宁邵院士团队自2007年启动益可宁.随机、双盲、对照的大规模Ⅲ期临床试验研究，建立覆盖江苏省东台市11个乡镇，包含市级医院、镇卫生服务中心、村卫生所、私人诊所在内的205个监测哨点的急性肝炎监测系统，对参加临床试验的11万余名志愿者进行了长达10年的高质量随访研究。相关成果发表于《柳叶刀》（The Lancet）。我国自主研发的重组戊肝疫苗益可宁.是全球唯一的戊肝预防性疫苗，于2011年和2020年先后在中国和巴基斯坦获批上市。数据表明，与外部对照组相比，在校正性别和年龄因素后，三针益可宁.的10年保护率为90.6%，两针益可宁.的10年保护率为89.9%。

　　

现生鸟类新分类方案

 

　　浙江大学生命演化研究中心张国捷教授联合国内外学者，组织收集世界上现生一万多种鸟类的基因组及形态信息，为全球鸟类的分类提供框架，揭示了整个鸟纲物种的类群变化历史。相关成果发表于《自然》（Nature）。研究团队基于构建的鸟类系统发育树，对鸟类演化历史做了更精确的时间断代，为发生在物种大灭绝之后的“大爆炸”假说观点提供了强有力的支持。研究者以基因间区比对序列数据集为基础，将6000多万年前的鸟类大爆发后“辐射性演化”产生的新鸟小纲划分为四大分类。分别是以火烈鸟为代表的奇迹鸟类，包含了鸽子与杜鹃的鸽鸨类，囊括了麻雀、鹦鹉、鹰等的陆鸟类，以及元素鸟类。

 

质体系统发育基因组解析兰属植物的多样性演化历史

 

　　中国科学院西双版纳热带植物园郁文彬等人与合作者选取兰属11组56种，基于质体基因组系统发育重建，解析了兰属植物在东南亚的多样性演化历史。相关成果发表于《植物多样性》（Plant Diversity）。研究表明，兰属植物分成4个主要分支，传统划分11组，有9组为单系。兰属植物可能起源于早中新世东喜马拉雅至北中南半岛，板块运动与海平面升降为兰属植物在东南亚的迁移扩散提供了通道。兰属植物多样化速率呈下降趋势，与温度和季风强度变化呈正相关。季风增强提高水热条件可能加快了物种多样化，而随后全球气候变冷可能与多样化速率减缓有关。研究结果为未来兰属的系统分类学与保护生物学研究奠定了基础。

 

探究古北区与东洋区交界处昆虫区系系统发育起源

 

　　安徽师范大学聂瑞娥，中国科学院动物研究所白明、杨星科等人合作，开发了基于“样地”线粒体基因组学证据研究昆虫的发育起源。相关成果发表于《生物地理杂志》（Journal of Biogeography）。无脊椎动物物种多样性丰富但缺乏分类学和物种分布信息，使得在全球范围内探究其生物地理学存在很大的挑战。研究人员通过系统发育分析、分歧时间估计、祖先分布区重建等多维度分析，证明了秦岭山脉叶甲科昆虫存在东洋区和古北区两个区系成分，迁入率很高，尤其是以东洋区为主的萤叶甲亚科，而以古北区为主的叶甲亚科较少。研究还表明基于样点的宏基因组方法在地理区划水平上展示了清晰的区划分支。

 

近十年古脊椎动物学的发展

 

　　中国科学院古脊椎动物与古人类研究所朱敏院士团队利用自主构建的“深骨”大数据库对2013—2022年的古脊椎动物学文献进行了计量学分析。相关成果发表于《历史生物学》（Historical Biology）。文章突显了古脊椎动物学领域的研究活动和出版物显著增加，展示了从基础描述到综合不同数据类型的复杂研究的转变，比较解剖学仍是古脊椎动物学的核心。经典古生物学已经逐渐扩展到生物多样性保护、生物化学、分子生物学等交叉领域。尽管经典古生物学专业期刊面临影响力的挑战，但是古脊椎动物学依靠中国、美国、英国、欧洲等国和地区的资源和科研力量，展现了其学科韧性和对科学贡献的持续性。