不搞科学技术，生产力无法提高。
——毛泽东
第290期
一
培养皿里的人脑细胞学会“打乒乓”
体外神经元首次展示大脑部分工作过程
据近期《神经元》杂志，人类和小鼠的神经元在一个碟子里学会了玩电子游戏Pong。研究团队首次证明，一个培养皿中的80万个脑细胞可以执行目标导向的任务，即使是在培养皿中的脑细胞，也可以表现出固有的智力，随着时间的推移改变它们的行为。这项研究在疾病建模、药物发现以及扩展当前对大脑如何工作、智力如何产生的理解方面具有重要作用。
“从蠕虫到苍蝇再到人类，神经元是广义智能的起点。”论文第一作者、澳大利亚墨尔本皮层实验室首席科学官布雷特·卡根说，“所以问题是，我们能否以某种方式与神经元互动，以利用这种固有的智能？”
实验中，研究小组从小鼠胚胎和人类干细胞中分别提取了脑细胞，并将它们培养在既可以接受刺激，又可以读取它们的活动的微电极阵列上。
首先，研究人员将这些神经元连接到一台电脑上，这样会收到关于游戏中的球拍是否正在击球的反馈；然后，他们使用电子探头监测神经元的活动和对这种反馈的反应。
神经元移动球拍和击球的次数越多，电子探头记录的“尖峰”就越强。当神经元失误时，他们的游戏方式会被皮层实验室开发的软件程序“批评”。这表明神经元可以实时地以目标导向的方式活动，以适应不断变化的环境。
“对细胞施加了不可预测的刺激，系统作为一个整体会重组其活动，以更好地玩游戏，并将随机反应降至最低。”卡根说。
这种学习背后的理论植根于自由能原理。简而言之，即大脑通过改变世界观或行为来适应环境，以更好地适应周围的世界。
这种教导细胞培养物执行表现出智商的任务新能力，开启了未来新的可能性，将对技术、健康和社会产生深远影响。在研究新药或基因疗法在动态环境中的反应时，这些发现还提高了创建动物试验替代方案的可能性。
作者：张佳欣 来源：科技日报
二
首个可编程光学量子存储器问世
技术原理类似纠缠“装配线”
近日，德国帕德博恩大学和乌尔姆大学研究人员合作，成功开发出首个可编程光学量子存储器。新技术的工作原理类似于纠缠“装配线”，其中纠缠的光子对会按顺序创建并与存储的光子结合。作为“编辑推荐”，该研究已发表在《物理评论快报》杂志上。
今年，诺贝尔物理学奖颁发给了在量子纠缠实验方面具有重要贡献的3名科学家。量子纠缠是指在量子力学中处于纠缠态的两个或多个粒子，即便分开很远距离，有些状态也会表现得像是一个整体。而能包含多个量子粒子的纠缠系统，在实现量子算法方面具有显著优势，这些算法有可能用于通信、数据安全或量子计算。
以前，试图纠缠两个以上的粒子只会导致非常低效的纠缠产生。在某些情况下，如果研究人员想要将两个粒子与其他粒子联系起来，需要漫长的等待，因为促进这种纠缠的互连仅以有限的概率起作用。这意味着，一旦下一个合适的粒子到达，光子就不再是实验的一部分，因为存储量子比特状态代表了一项重大的实验挑战。
据悉，研究团队现在开发的这种可编程的光学缓冲量子存储器，可在不同的模式——存储模式、干涉模式和最终释放模式之间动态地来回切换。”
在实验装置中，一个小的量子态可被存储，直到产生另一个状态，然后两者可纠缠在一起。这使得一个大的、纠缠的量子态能够逐个粒子地“成长”。使用这种方法纠缠4个和6个粒子，使其比以前的任何实验都更有效率，成功率分别是传统方法的9倍和35倍。
研究人员解释说：“我们的系统允许逐渐建立越来越大的纠缠态——这比以前的任何方法都更快、更可靠、更有效。对我们来说，这代表了一个里程碑，使我们离有用的量子技术大型纠缠态的实际应用越来越近了。”新方法可与所有常见的光子对源相结合，这意味着利用该方法，其他领域科学家也能够获得帮助。
作者：张梦然 来源：科技日报
三
人干细胞培养类脑组织能与大鼠大脑整合并影响行为
国际著名学术期刊《自然》最近发表的一篇神经科学研究发现，人干细胞来源的类脑组织能与新生大鼠的大脑整合，还会影响行为，这项研究结果或能提高构建人类神经精神疾病实际模型的能力。
该论文介绍，人干细胞培养的大脑类器官是模拟人类发育和疾病的一个很有潜力的平台。然而，体外生长的类器官缺少在真实有机体中存在的各种连接，这会限制类器官的成熟，无法与其他控制行为的神经环路整合，因而会影响类器官模拟具有遗传复杂性和行为特征的神经精神疾病的能力。之前的研究试图将人脑类器官植入成年大鼠的大脑，但这些细胞在植入后无法完全成熟。
论文通讯作者、美国斯坦福大学塞尔吉乌·帕斯卡(Sergiu Pasca)带领团队，将人脑类器官植入新生大鼠大脑的体感皮层中，体感皮层是负责从全身接收和处理感觉信息的脑区，包括触觉。他们发现，该类器官能发育成熟，部分能与神经环路整合，并在大鼠大脑中具有功能性。这种整合可以在人细胞的活动与动物习得行为之间建立关联，证明植入的神经元可以调节大鼠的神经元活动，并能诱导追求奖赏的行为。
此外，该类器官中的一组神经元在转动大鼠胡须时出现了活动迹象，说明植入的神经元能对感觉刺激产生反应。在植入来源于3名蒂莫西综合征(Timothy syndrome，一种与心脏问题有关的严重遗传病)患者的细胞时，特定的神经元缺陷会被凸显出来，说明这种植入技术能揭示之前未知的疾病特征。
该技术或能作为一种很强大的资源，补充对人脑发育和疾病的实验室研究，进一步研究也许能让人们利用患者来源的细胞揭开本来无从了解的疾病特征。
作者：孙自法 来源：中国新闻网
四
首个超声诱导激光扫描显微镜面世
可对生物组织进行更深入、更详细观察
近日，韩国科学家开发出世界上首个超声波诱导激光扫描显微镜，该技术能够利用超声波临时产生的气泡对生物组织进行更深入、更详细的观察，有望促进生物科学研究以及临床实践的发展。该研究成果已发表于《自然·光子学》杂志。
光学成像和治疗技术广泛应用于生命科学研究和临床实践，但由于生物组织内存在光散射现象，使光传输率较低，导致组织深部的图像采集和处理存在固有的局限性，严重阻碍了其广泛使用。
2017年，韩国大邱庆北科学技术院张金昊教授团队提出了解决方案：使用通常在生物组织暴露于高强度超声波时观察到的微米大小的气泡。超声波暂时产生的气泡会导致与入射光传播方向相同的光散射，因此会增加光的穿透深度。基于这一原理，研究人员开发出一项技术，并开始着力扩大利用超声波诱导气泡产生的光学成像技术的应用范围。
共焦荧光显微镜能有选择地检测在光焦平面上产生的荧光信号，并提供微型生物组织（如癌细胞）的高分辨率、高对比度图像，成为生命科学研究领域使用最广泛的设备。但由于组织内发生的光散射，当深度超过100微米时，光的焦点会变得模糊，严重限制共焦荧光显微镜的应用和有效性。
为此，联合研究团队借助超声波技术，在活组织内有密集气泡（密度为90%或以上）的区域内创建一个气泡层，并在获取图像时保持产生的气泡。在这个气泡层中，光子的传播方向不会发生畸变。实验证明，即使在较深的生物组织中，也可以实现光聚焦。此外，通过将这项“超声诱导组织透明性”技术应用于共焦荧光显微镜，他们开发出首个超声波诱导光学清晰显微镜，其成像深度是传统共焦显微镜的6倍，且不会对生物组织造成任何损伤。
张金昊表示：“本研究获得的新技术将应用于各种光学成像技术，包括多光子显微镜和光声显微镜，以及包括光热疗法和光动力疗法在内的几种光学疗法。”
作者：刘霞 来源：科技日报
五
低成本“风力收割机”可将微风变电能
新加坡科学家近期开发出一种低成本的“风力收割机”，可捕捉微风般柔和的风能，将其储存为电能。实验显示，当暴露在速度低至2米/秒的风中时，该设备可产生3伏电压及290微瓦的电力，足以为商业传感器供电，让其将数据发送到手机或计算机上。相关研究已发表于《机械系统与信号处理》杂志。
该设备的主体由纤维环氧树脂制成，主要附件能与风相互作用，且由铜、铝箔和特氟龙等廉价材料制成。由于设计结构灵活，当“风力收割机”暴露于气流中时会振动，在薄膜上形成电荷，当电荷从铝箔流向铜薄膜时，会形成电流。
在实验室测试中，研究人员发现，这款设备可以在风速为4米/秒的情况下持续为40个发光二极管（LED）供电。它还可以触发传感器设备，并为其提供足够的电力，以无线方式将室温信息发送到手机上。这表明，该“风力收割机”不仅可以发电，为设备持续供电，还可以将多余电量储存起来，以便在无风的情况下为设备长时间供电。
团队指出，这款“风力收割机”有可能取代为LED灯和健康监测传感器供电的电池。这些设备主要用于桥梁和摩天大楼内，监测建筑结构的状况。设备尺寸仅为15厘米×20厘米，可以很容易地安装在建筑物侧面，非常适合于城市环境，更重要的是，设备不受雷雨影响。
该研究负责人、南洋理工大学土木与环境工程学院结构工程师杨耀文教授说：“我们旨在研制出小型能量采集器来实现更具针对性的功能，如为小型传感器和电子设备供电的仪器。这款‘风力收割机’也可以作为小型锂离子电池的潜在替代品，因为其能自给自足，只需要偶尔维护，不使用重金属，因此不会造成环境问题，有助于减少电子垃圾，降低其对环境的影响。”
团队计划未来将进一步改善该设备的能量存储能力，并用不同材料进行实验，以提高其输出功率。
作者：刘霞 来源：科技日报
转自：“建强伟业科研服务”微信公众号
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