科技名刊精選

Nature

云層的張力

Nature封面:云層云滴。Nature雜志第7660期封面文章報道了云滴濃度變化的影響因素。大氣云層中的液滴是通過異質(zhì)成核過程形成的，其中氣溶膠顆粒充當了云凝結(jié)核。這些凝結(jié)核的自發(fā)活化取決于兩個因素的相互作用:拉午耳效應和開爾文效應。通常認為有機分子誘導的顆粒表面張力降低會被拉午耳效應的同時下降所抵消，對云滴活化幾乎沒有整體影響。然而，最新研究表明，在大氣中表面活性劑分子能降低表面張力，使其對吸水的影響超過拉午耳效應的任何變化，導致云滴濃度大幅增加。這一結(jié)果將會影響氣候模型對云形成過程的表征。

單細胞生物學

Nature封面:單細胞生物學。Nature雜志第7661期封面文章報道了單細胞層面研究進展。一篇新聞特寫仔細分析了追蹤細胞譜系的過程，并且刊登了Aviv Regev的人物簡介，她帶領(lǐng)編錄了所有人體細胞種類。另一篇文章探索了在細胞分裂周期內(nèi)，小鼠細胞基因組是如何包裝的以及這對于探索三維基因組交互可能存在的意義。Amir等討論了對免疫細胞的集中研究可以如何幫助我們對抗癌癥等疾病。一篇職業(yè)采訪講述了進入單細胞研究領(lǐng)域的原因，工具箱文章則重點討論了如何以最佳方式探查隨著領(lǐng)域的擴展而不斷產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

精細化定位IBD位點

Nature封面:炎癥性腸?。↖BD）新研究。Nature雜志第7662期封面文章報道了如何運用大樣本中的高密度基因分型進行精細化定位來解析全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）位點的致病變異。IBD的GWAS已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了200多個與該疾病有關(guān)聯(lián)的位點，但是只有少數(shù)這些位點的致病變異得到解析。研究者運用67，852個個體中的高密度基因分型，對94個IBD易感位點進行了精細化定位。采用了多項新型精細化定位方法，鑒定了139個獨立關(guān)聯(lián)位點，其中18個精確到單個致病變異，確定性＞95%。這種方法或許能用于發(fā)現(xiàn)其它復雜性狀。

拓撲量子化學

Nature封面:拓撲學新研究。Nature雜志第7663期封面文章報道了一個全新的、完整的理論，用于計算材料電子能帶結(jié)構(gòu)的拓撲屬性。通過將傳統(tǒng)的能帶結(jié)構(gòu)方法（研究非局部、動量空間中的電子屬性）與局部化學鍵合結(jié)合起來，將至今為止一直無關(guān)聯(lián)的物理學觀點與化學觀點相融合；補充完整了電子能帶結(jié)構(gòu)理論，使之現(xiàn)在能夠?qū)奈挥诰Ц窀裎坏木植吭榆壍喇a(chǎn)生的所有230種可能的晶體對稱群的能帶結(jié)構(gòu)進行分類。據(jù)此能夠判斷哪些結(jié)構(gòu)是拓撲非平庸的，而且還能發(fā)現(xiàn)新的材料種類，簡化了對具有奇異屬性的新材料的搜索。

Science

人工智能改變科學

Science封面:科學家的學徒，大數(shù)據(jù)遇到了對手。Science雜志第6346期封面文章報道了人工智能改變科學。越來越多的領(lǐng)域，收集數(shù)據(jù)的能力已經(jīng)超過人類的洞察力和分析。然而，研究者開始逐漸解開人工智能（artificial intelligence，AI），特別在人造神經(jīng)網(wǎng)絡領(lǐng)域的應用。不像早期在AI的嘗試，這種“深度學習”的系統(tǒng)不需要一個人類專家知識的編程。相反，它們能夠通常從大量可訓數(shù)據(jù)（從基因組學到天文學）中自我學習，直到它們在數(shù)據(jù)中看到圖形、發(fā)現(xiàn)異常，這一體量遠超人力所及。

爆發(fā)的傳染病

Science封面:佛羅里達的場地管理員在噴灑滅蚊劑。Science雜志第6347期封面文章報道了針對傳染病爆發(fā)的努力。傳染病的爆發(fā)往往震驚人類社會，常常不可預測、難以避免；我們必須直面它的出現(xiàn)。國際社會的監(jiān)管對于潛在危險性傳染病的早期發(fā)現(xiàn)非常重要；同時，地方機構(gòu)的參與和健康體系的糾正也至關(guān)重要。如果一個病原菌逃避了監(jiān)管，數(shù)學家能夠從模擬噪聲中傳遞信息；數(shù)學模型進而指導出爆發(fā)的軌跡，顯示如何定位選擇的數(shù)據(jù)。隨著爆發(fā)的進行，疫苗和藥物可以介入；但是有效性需要測試。介入需要嚴格可控，危機響應需要建立。

淋巴系統(tǒng)控制金槍魚的鰭

Science封面:地中海里的大西洋藍鰭金槍魚。Science雜志第6348期封面文章探討了淋巴系統(tǒng)在脊椎動物運動中的作用。在魚體內(nèi)的淋巴系統(tǒng)與在哺乳動物的免疫反應和體內(nèi)平衡中的功能是一樣的。Pavlov等指出在金槍魚和鯖魚家族中，這種液體的穩(wěn)態(tài)功能已經(jīng)被共同選擇，以促進背鰭的剛度和運動。在藍鰭金槍魚中，一系列的淋巴管與肌肉結(jié)合，使魚能夠抬起并使其背鰭變硬，這為游泳提供了額外的穩(wěn)定性。這種翅片控制機制可以促進智能控制表面的設計，通過形狀和剛性設計，增強無人機和水下航行器的機動性能。

一種揭示染色質(zhì)的方法

Science封面:繪制細胞核中DNA結(jié)構(gòu)。Science雜志第6349期封面文章報道了Horng D.Ou等人的亮點文章，細胞染色質(zhì)原位特寫鏡頭。人體單個細胞就含有2米長的DNA，科學家開發(fā)出新型染色質(zhì)染色與電子顯微鏡斷層成像結(jié)合技術(shù)，命名為“ChromEMT”。通過在DNA表面“涂上”一層金屬物質(zhì)，從而得到在活細胞中DNA聚合體局部3D結(jié)構(gòu)的高清影像。DNA呈現(xiàn)柔韌的雙鏈結(jié)構(gòu)，直徑在5～24納米之間。對于處在有絲分裂期的染色體，雙鏈向后彎曲聚集成高密度團；對于分裂間期的染色體，呈現(xiàn)伸展狀態(tài)。

神經(jīng)科學

勝負經(jīng)歷重塑丘腦到前額葉皮層環(huán)路以調(diào)節(jié)社會競爭優(yōu)勢

浙江大學求是高等研究院系統(tǒng)神經(jīng)與認知科學研究所和醫(yī)學院神經(jīng)科學研究中心的胡海嵐研究組，闡明了前額葉皮層調(diào)控社會競爭中輸贏的機制，并發(fā)現(xiàn)中背側(cè)丘腦—前額葉皮層這一神經(jīng)環(huán)路介導“勝利者效應”，研究論文發(fā)表于《科學》。該研究結(jié)合了行為學、電生理、光遺傳等多層次手段，確定了前額葉皮層對社會競爭的動態(tài)控制，首次發(fā)現(xiàn)了哺乳動物大腦中“勝利者效應”的神經(jīng)環(huán)路，并且發(fā)現(xiàn)了“勝利者效應”在不同行為學范式中的遷移效應。由于社會競爭造成的社會地位與健康狀況息息相關(guān)，這為研究社會行為相關(guān)的疾病提供了治療思路，并且為在競賽中提高選手成績的行為訓練策略提供了理論依據(jù)。

激活前額葉皮層使小鼠在鉆管測試中主動發(fā)出更多的推擠

在鉆管測試中獲得重復勝利經(jīng)歷的小鼠，在熱源爭奪中也會更容易獲勝

顳葉癲癇研究

浙江大學神經(jīng)科學中心陳忠教授課題組發(fā)現(xiàn)顳葉癲癇繼發(fā)性全身性大發(fā)作與下托腦區(qū)特異性地存在異常去極化信號通路相關(guān)，揭示了下托區(qū)GABA神經(jīng)微環(huán)路在癲癇發(fā)病中作用機制，研究結(jié)果為精準治療顳葉癲癇的藥物新靶點研究提供了實驗依據(jù)，研究論文發(fā)表于《神經(jīng)元》。癲癇是一種常見的中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病，以腦內(nèi)同步化放電引起的反復且突發(fā)性的發(fā)作為特征。經(jīng)典學說認為癲癇發(fā)作是由于腦內(nèi)興奮——抑制失衡理論引起，臨床上常用增強腦內(nèi)抑制性功能的藥物治療癲癇，但是副作用大，且易產(chǎn)生耐藥。新研究發(fā)現(xiàn)表明在癲癇的不用階段GABA能神經(jīng)元具有完全不用的作用，且這種特性具有細胞亞型特異性。

對稱性表達的細胞粘附分子在興奮性突觸與樹突棘穩(wěn)定中的不對稱功能

中國科學院神經(jīng)科學研究所、腦科學與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心、神經(jīng)科學國家重點實驗室于翔研究組開展研究突觸前位點的Cadherin/Catenin/p140Cap復合物在穩(wěn)定皮層樹突棘和功能性突觸中的重要功能，研究論文發(fā)表于《神經(jīng)元》。突觸是大腦內(nèi)環(huán)路連接的基本結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。突觸的形成受到包括細胞粘附分子、腳手架分子、分泌性分子和轉(zhuǎn)錄因子等眾多分子的協(xié)同調(diào)節(jié)。突觸與樹突棘的形成與成熟對神經(jīng)環(huán)路中功能性連接的正確形成至關(guān)重要。進一步解析介導這些過程的分子機制會對解析孤獨癥譜系障礙等存在突觸連接異常的神經(jīng)發(fā)育性疾病的發(fā)病機理起到借鑒作用。

靈長類動物大腦發(fā)育和老化過程中長鏈非編碼RNAs介導的表觀遺傳調(diào)控基礎(chǔ)

中國科學院昆明動物研究所李家立、胡新天和鄭永唐課題組與中科大生命科學學院汪香婷課題組、武漢生命之美生物科技公司合作，揭示了長鏈非編碼RNAs在靈長類大腦發(fā)育和老化過程中表達動態(tài)變化和作用，研究論文發(fā)表于《基因組研究》。大腦發(fā)育和老化過程十分復雜，涉及遺傳、年齡和環(huán)境等多個因素的調(diào)控和影響，其中由年齡和環(huán)境等主要因素導致的表觀遺傳調(diào)控的變化被認為是重要環(huán)節(jié)之一。論文以中國獼猴作為對象，通過RNA-seq和CAGE-seq測序及分析，同時結(jié)合原位雜交與原代神經(jīng)元系統(tǒng)的功能驗證等手段，解析了在中國獼猴大腦發(fā)育和老化過程中的動態(tài)變化特征。

嗎啡誘導自噬導致毒品成癮的分子機制

中國科學院昆明動物研究所姚永剛研究員、徐林研究員與合作者，闡明了多巴胺能神經(jīng)元特異性的自噬參與嗎啡成癮的分子機制，研究論文發(fā)表于《自噬》。毒品成癮困擾人類健康，呈慢性復發(fā)性依賴病程。利用小鼠原代神經(jīng)元集中研究發(fā)現(xiàn)，嗎啡會導致ATG5和ATG7蛋白表達顯著上調(diào)，從而促進多巴胺能神經(jīng)元中ATG12-ATG5復合物形成和Atg5與Atg7依賴的自噬活性增強。Atg5與Atg7依賴的自噬通過調(diào)控多巴胺能神經(jīng)元的樹突棘密度、樹突復雜度和樹突總長度，進而調(diào)控成癮行為學。在多巴胺能神經(jīng)元中特異性敲除Atg5或Atg7基因，能顯著拯救嗎啡誘導自噬所介導的樹突可塑性改變，最終阻斷嗎啡誘導的成癮行為學。

嗎啡誘導多巴胺能神經(jīng)元特異性自噬導致成癮的分子機制

嗎啡誘導多巴胺能神經(jīng)元中Atg5與Atg7依賴的自噬

自閉癥譜系障礙的神經(jīng)病理發(fā)生機制研究

中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所張永清研究組、李曉江研究組與國內(nèi)外科學家合作，在自閉癥的非人靈長類模型研究中取得新進展，相關(guān)研究成果發(fā)表于《細胞研究》。自閉癥譜系障礙(ASD）兒童表現(xiàn)出社交障礙，刻板重復行為和興趣狹隘等行為學特征。流行病學研究表明，世界范圍內(nèi)大約1%的兒童表現(xiàn)有ASD。SHANK3基因突變在ASD病人中出現(xiàn)頻率最高，是目前國際上公認的幾個ASD高發(fā)致病基因之一。在負責高級認知功能和社交行為的大腦前額葉區(qū)域，發(fā)現(xiàn)突變猴的成熟神經(jīng)元數(shù)目顯著降低，而星形膠質(zhì)細胞顯著增加。突變猴的前額葉皮層神經(jīng)元的樹突棘密度也顯著降低。SHANK3特異性調(diào)控靈長類胚胎大腦發(fā)育。

癢覺的中樞環(huán)路

中國科學院上海生命科學研究院神經(jīng)科學研究所、中科院腦科學與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心、神經(jīng)科學國家重點實驗室孫衍剛研究組解析了癢覺信息傳遞的神經(jīng)環(huán)路機制，相關(guān)論文發(fā)表于《科學》。癢是一種令人不愉快的感覺，通常引起抓撓行為。慢性瘙癢還經(jīng)常引起睡眠障礙等，嚴重影響患者的生活質(zhì)量。癢的機制尚不清楚，致使針對慢性癢治療的藥物開發(fā)嚴重滯后。癢覺機制的研究已經(jīng)成為目前醫(yī)學與神經(jīng)科學領(lǐng)域的熱點之一。該項研究發(fā)現(xiàn)癢覺經(jīng)由脊髓傳遞到臂旁核，從而誘導抓撓行為。揭示了癢覺從脊髓傳遞到大腦的一條重要環(huán)路，為深入揭示癢覺信息加工的腦內(nèi)環(huán)路機制及探索慢性癢的治療方案提供了重要基礎(chǔ)。

治療殺蟲劑和化學武器導致的神經(jīng)損傷

中國科學院上海藥物研究所高召兵研究員與國內(nèi)外科學家合作，將有機磷殺蟲劑及化學武器致神經(jīng)損傷的新機制和治療藥物方面的進展發(fā)表于《細胞發(fā)現(xiàn)》。有機磷是很多殺蟲劑、除草劑和神經(jīng)性毒劑的有效成分，可通過攝入、皮膚接觸、吸入等被人攝取，也是用于自殺的常見毒物，全球每年大約有300萬人由于接觸有機磷化合物而中毒。有機磷急性中毒可導致病人死亡，主要是由于體內(nèi)一種被稱為乙酰膽堿酯酶（AChE）的蛋白活性被抑制所導致。病理檢測可見典型的神經(jīng)損傷，被稱為有機磷致遲發(fā)性神經(jīng)?。∣PIDN）。論文證明了有機磷致TRPA1通道激活是OPIDN的主要致病機制，并發(fā)現(xiàn)了兩個已上市藥物可通過抑制該通道緩解OPIDN的癥狀和病理損傷。