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人類大腦的認(rèn)識(shí)

本期封面是一張人類大腦神經(jīng)信號(hào)傳輸過(guò)程中電子脈沖形成的想象圖。神經(jīng)生物學(xué)是建立在神經(jīng)元及其間的相互作用的研究基礎(chǔ)上的。如同生物的其他領(lǐng)域研究，神經(jīng)生物學(xué)也依賴于數(shù)據(jù)收集，對(duì)人腦中所有不同類型的神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的蛋白質(zhì)組、代謝組、基因組及甲基化標(biāo)記的研究分析。此外，“神經(jīng)連接組學(xué)”計(jì)劃提供了大腦完整的連接網(wǎng)絡(luò)，“突觸組學(xué)”旨在揭示了突觸中所有分子及其之間的相互作用。與其同器官系統(tǒng)相比，我們對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能之間的聯(lián)系的了解很少。我們?cè)谔骄咳祟惔竽X如何建立起結(jié)構(gòu)和功能的聯(lián)系中仍存在著困難，神經(jīng)生物學(xué)家需要更為強(qiáng)大的技術(shù)。幸運(yùn)的是，分子標(biāo)簽和數(shù)字化處理促進(jìn)了傳統(tǒng)光學(xué)顯微技術(shù)的發(fā)展，從而為科學(xué)家提供了一扇觀察活細(xì)胞內(nèi)部的窗口。利用這前所未有的技術(shù)，我們可以看到分子的定位和運(yùn)輸，并發(fā)現(xiàn)突觸動(dòng)態(tài)組裝的異常復(fù)雜的控制系統(tǒng)。突觸內(nèi)的生化環(huán)境很少處于平衡狀態(tài)，內(nèi)容物也未很好的混合，因此要求助于停流生物化學(xué)和生理學(xué)新計(jì)算工具，如MonteCarlo模型。

突觸可塑性是神經(jīng)元間連接依賴經(jīng)驗(yàn)的變化，被認(rèn)為是學(xué)習(xí)和記憶的基礎(chǔ)。人們已揭示了神經(jīng)元細(xì)胞對(duì)外界刺激做出響應(yīng)的細(xì)胞和分子程序的變化，以及這些改變?nèi)绾我鹜挥|連接的增加或減少。突觸元件在基因表達(dá)水平上的修改和變化是多種類型可塑性的必要條件。

1859年，查爾斯·達(dá)爾文提出自然選擇的關(guān)鍵概念，個(gè)體為了生存和繁殖而競(jìng)爭(zhēng)相同的資源。生活在同一社會(huì)環(huán)境中的動(dòng)物可以在短時(shí)間形成穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)等級(jí)。在社會(huì)群體中的這種等級(jí)具有一個(gè)基本的優(yōu)勢(shì)，可以消除群體內(nèi)的暴力沖突，最大程度地減少因暴力沖突造成的能量消耗。研究發(fā)現(xiàn)，小鼠大腦皮質(zhì)區(qū)域的特定突觸編碼社會(huì)統(tǒng)治性。驅(qū)動(dòng)小鼠大腦皮質(zhì)錐體神經(jīng)元的興奮性突觸在占統(tǒng)治地位的個(gè)體內(nèi)比從屬個(gè)體的強(qiáng)。通過(guò)提高或降低AMPA受體介導(dǎo)的傳輸突觸強(qiáng)度可以啟動(dòng)或關(guān)閉初始社會(huì)等級(jí)。

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)已經(jīng)證明了健康的飲食和日常鍛煉有益于心血管健康，預(yù)防糖尿病，降低膽固醇，但人們對(duì)神經(jīng)退行性疾病的作用卻了解較少。目前，令人信服的證據(jù)表明，運(yùn)動(dòng)可能對(duì)神經(jīng)退行性疾病有著長(zhǎng)期有利的影響，可以減緩其發(fā)展。

互聯(lián)網(wǎng)正使神經(jīng)科學(xué)向公眾開(kāi)放的。神經(jīng)生物學(xué)會(huì)很快將建立一個(gè)網(wǎng)站（BrainFacts.org）發(fā)布人腦相關(guān)信息和研究成果。

左：大腦6級(jí)尺度結(jié)構(gòu): 厘米級(jí),宏觀大腦(A)；毫米級(jí)，由排列成柱狀、片層狀或其他簇狀的神經(jīng)元組成的腦區(qū)（B）；100微米級(jí)，每個(gè)區(qū)域神經(jīng)元樹(shù)突在本區(qū)域內(nèi)延伸，軸突伸向相同或較遠(yuǎn)距離的位點(diǎn)（C）；10微米尺度，神經(jīng)元單個(gè)分支結(jié)構(gòu)顯現(xiàn)（D）；利用電鏡可以觀察到大腦的細(xì)微結(jié)構(gòu)，可以精確到29納米（E-G）。

右、電鏡數(shù)據(jù)及分析。掃描電鏡8000次循環(huán)得到的視神經(jīng)圖像（A）；串聯(lián)黑體掃描電子顯微鏡拍攝的大腦鉆石刀切片（B）；基于串聯(lián)黑體掃描電子顯微鏡數(shù)據(jù)構(gòu)建的雙極細(xì)胞圖像（C）。

平化世界：構(gòu)建全球知識(shí)學(xué)會(huì)

美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS, AmericanAssociationfortheAdvancementofScience）2012年年會(huì)將于2月16日至20日在加拿大溫哥華召開(kāi)，本次年會(huì)的主題是“平化世界：構(gòu)建全球知識(shí)學(xué)會(huì)”，聚焦于21世紀(jì)復(fù)雜、相互關(guān)聯(lián)挑戰(zhàn)，及其通過(guò)國(guó)際和多學(xué)科合作努力取得的全球化解決方案。超過(guò)半數(shù)的世界頂級(jí)研究型大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都會(huì)派代表與會(huì)發(fā)言。

AAAS年會(huì)上一次在美國(guó)以外地區(qū)召開(kāi)是1981年多倫多年會(huì)，本屆是第一次在加拿大溫哥華召開(kāi)年會(huì)。AAAS年會(huì)為期4天，包括專題討論會(huì)、講座、研討會(huì)和展臺(tái)式會(huì)議等形式，內(nèi)容涵蓋科學(xué)、技術(shù)和教育的各個(gè)領(lǐng)域。與會(huì)者來(lái)自近60個(gè)國(guó)家或地區(qū)，可以參加世界頂級(jí)的科學(xué)家和工程師的會(huì)議和專題講座、職業(yè)發(fā)展研討會(huì)及國(guó)際展覽。

電力的此刻與何時(shí)

本期封面是美國(guó)芝加哥市的夜景。自從1893年芝加哥世博會(huì)上交流電問(wèn)世以來(lái)，電力需求量與日俱增。無(wú)論是來(lái)自于水勢(shì)能、燃料燃燒、或是放射性物質(zhì)分解，制造和運(yùn)輸電力過(guò)去一直是一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程，即保持發(fā)電、分配和需求之間平衡，為終端用戶提供一個(gè)合理的價(jià)格。電力需求在每日在最大值和最小值之間波動(dòng)，峰值電力需求不斷上漲，導(dǎo)致這種波動(dòng)不斷變大。增加可再生能源的依賴程度，特別是太陽(yáng)能和風(fēng)能，存在電力儲(chǔ)存容量非常小的問(wèn)題，無(wú)法應(yīng)對(duì)較大的電力需求波動(dòng)，這要求更好的解決方案，提高電力儲(chǔ)存效率。增加可再生資源發(fā)電比例的前提是確保負(fù)載均衡，這要依賴于儲(chǔ)存電力或發(fā)電的新型材料，本期雜志專輯圍繞這一問(wèn)題展開(kāi)討論。

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：蛋白的質(zhì)量控制中的作用

本期封面是一張粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（亮綠色）的錯(cuò)色電鏡照片，緊鄰細(xì)胞核膜（右側(cè)深綠區(qū)域），曲折的膜結(jié)構(gòu)上嵌有核糖體（深色綠點(diǎn)）。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是新合成的細(xì)胞膜蛋白和分泌蛋白（環(huán)形線粒體：~0.49微米寬）進(jìn)出的通路。本期雜志專輯討論內(nèi)質(zhì)網(wǎng)在蛋白的質(zhì)量控制中的作用，以及介紹一些細(xì)胞生物學(xué)至今仍不能解釋的現(xiàn)象，如細(xì)胞如何知道自身的大小。

跨膜蛋白ATF6、PERK和I R E1介導(dǎo)的三條內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)未折疊蛋白反應(yīng)（UPR）的處理途徑。