《科学》特刊综述脑研究进展
大脑神经元连接协调恰似“交响乐”
人类大脑有近860亿个神经元，每个神经元有多达10000个突触，形成了一个庞大的互连网络，构成了行为和认知的基础。近期《科学》特刊连发4篇文章，综述了科学家对大脑复杂连接（“连接组”）及其如何驱动大脑功能和产生功能障碍的理解，介绍了用于探索大脑连接的神经科学创新技术。
《科学》杂志高级编辑皮特·斯特恩在特刊引言中写道，大脑不仅仅是它的组成细胞。大脑中的每个神经元都与其他数千个神经元连接，但不是一片嘈杂的连接声，而是同步的交响乐。没有平稳运行的连接，大脑只不过是一堆神经元。
法国波尔多大学和荷兰内梅亨大学研究人员总结了大脑连接和大脑功能之间的关系，即核心大脑功能需要通过密集连接的网络在局部和远处大脑区域之间进行整合，同时也概述了大脑连接的功能作用及其在进化和疾病中的作用。
德国于利希研究中心团队阐述了人类大脑结构连接的研究进展，并讨论了在不同空间尺度上测量的重要性，连接组是指对神经元和大脑区域如何相互连接的综合描述。然而，要充分了解连接组，就需要从分子和细胞水平到宏观水平，将大脑连接作为一个多尺度系统来处理。团队讨论了扩散磁共振成像（dMRI）和牵引成像等新兴成像技术，以及机器学习和计算模拟，如何极大地扩展了人们对连接组的了解。
美国斯坦福大学团队探讨了细胞类型特异性神经调节、全脑功能成像和计算建模的最新进展，揭示了大规模脑回路功能和功能障碍的新见解。这些发展有助于开发模拟大脑功能的新方法，用以复制和探测神经系统及其行为，从而改进神经系统疾病（包括帕金森病）的治疗方式。
挪威奥斯陆大学团队回顾了用于在啮齿动物模型中绘制不同尺度的大脑连接的各种实验技术，并讨论了将这些不同的数据集组合在一起以创建大脑三维参考图谱的方法，这种方法可促进与其他微架构特征相关的神经网络组织全脑分析。
作者：张梦然 来源：科技日报
二
何时迁移、生长、形成、连接以及交流
大脑细胞基因“时间规划表”首现
近日，澳大利亚科学家绘制出世界首张能显示从出生前到成年后不同时期人脑细胞基因活动变化的图谱。通过这张脑细胞发育图，能更准确地识别神经和精神疾病（如精神分裂症）或脑癌中的异常细胞状态的改变。该项研究由哈里·珀金斯医学研究所和西澳大利亚大学研究团队共同完成，发表在《细胞》杂志上。
这张高分辨率图谱显示了正常个体从妊娠中期到成年期，前额叶皮层中每种不同脑细胞的基因活性如何变化，并预测了控制这些变化的细胞因子。
团队之前的研究汇集了人类大脑发育过程中表观基因组如何变化的数据，新研究则关注基因活动及其控制因素如何随着人体成熟而变化。
人脑包含数十亿个细胞，每一种不同类型细胞都有自己的特殊功能。这需要很长时间才能建立起来，大脑的成熟过程可持续到生命的第三个十年。
通过这个漫长的过程，人的认知能力萌生、成长、改变和进步。成人与儿童、幼儿和新生儿相比，差异巨大。这些进步的基础就是大脑细胞的复杂变化，它们发生了迁移、生长、形成、完善连接以及交流。重要的是，这些变化是需要对基因活动有正确控制和时间安排的，而新研究就提供了第一张参考图谱。
研究人员从神经典型个体中获得了死后脑组织，并使用新技术以单细胞分辨率绘制基因活动图，以跟踪人脑发育和衰老的每种单独类型的细胞。
研究发现，不同的神经和精神疾病会在发育过程中的特定时间出现，例如自闭症谱系障碍或有时会在青少年时期出现精神分裂症，这一时间段其实有其细胞基础。
新图谱有助于更好地了解大脑疾病，并改进用于疾病建模和新药发现的脑细胞模型。大多数影响大脑的疾病都会随着时间的推移而发展，因此该发现还可让研究人员在这些疾病出现之前进行识别，从而进行更早的干预。
作者：张梦然 来源：科技日报
三
AI设计透明窗户涂料为建筑物降温
随着气候变化加剧夏季炎热，对建筑物降温技术的需求也在不断增长。最近，韩国庆熙大学和圣母大学研究人员在《美国化学学会能源快报》上报告称，他们利用先进的计算技术和人工智能（AI）设计了一种透明的窗户涂料，可在不消耗能源的情况下降低建筑物内部的温度。
研究估计，制冷约占全球能源消耗的15%。这一需求可以通过一种窗户涂层来降低，其能阻挡太阳的紫外线和近红外光，太阳光谱中的这两种光通常会透过玻璃使封闭房间升温。
如果窗户涂层以特定的波长从其表面辐射热量，那么能源消耗可能会进一步减少。然而，很难设计出既能满足这些标准，同时又能传输可见光的材料，这意味着它们不能干扰视线。
此次，该团队着手设计一种“透明辐射冷却器”（TRC）。他们构建了TRC的计算机模型，该模型由二氧化硅、氮化硅、氧化铝或二氧化钛等常见材料组成，在玻璃底座上形成交替薄层，顶部覆盖一层聚二甲基硅氧烷薄膜。
研究人员使用机器学习和量子计算指导的迭代方法优化了层的类型、顺序和组合，其中量子计算使用的是亚原子粒子存储数据。这种比传统计算机更快、更好地进行优化的方法，可以在几分之一秒内有效地测试所有可能的组合。这就产生了一种新涂层设计，其性能优于传统设计的TRC。
据悉，在炎热干燥的城市，与传统隔热降温玻璃窗户相比，优化后的TRC可能会减少31%的制冷能耗，这一成果还可应用于轿车和卡车的窗户等其他方面。此外，其量子计算优化技术也可用于设计其他类型的复合材料。
作者：张佳欣 来源：科技日报
四
我国科学家发明细胞大小“无人工厂”
生产免疫调控细胞因子，指挥机体清除残存癌细胞
“我们发明了细胞大小的‘无人工厂’，光一照就‘开工’，能让肿瘤切除手术后的复发可能性大大降低。”来自华东师范大-学医学合成生物学研究中心执行主任叶海峰称，他们研发的“无人工厂”由合成生物学设计，能够生产出免疫调控细胞因子，指挥机体清除残存癌细胞。这一成果已于近期发表在《自然·通讯》上。
肿瘤细胞识别有“盲区”
手术切除仍然是实体瘤的主要治疗方法，但再精准的手术也不可能把肿瘤细胞清理得“一个不留”。切除后，癌细胞还零星存在，不断潜逃诱发新癌变。因此，肿瘤的复发和转移成为肿瘤治疗领域一直难以攻克的难题。
“人体的免疫系统对于潜逃的肿瘤细胞存在不敏感、不识别等问题，造成了‘盲区’。”叶海峰表示，肿瘤细胞的存在是客观的，但可以通过激活免疫细胞增强机体免疫系统围剿肿瘤细胞的能力。
据介绍，切除肿瘤的同时，辅之以免疫调控的疗法，正在成为肿瘤治疗的新方案。多种药物和基于细胞的技术被发展起来用于增强身体自然免疫系统以对抗癌症。
“在人体内实现免疫增强目前来说还是存在风险的，因为难以解决控制的问题，就有过度激活的可能，从而危及生命。”叶海峰表示，信号因子的释放、递送等过程都要解决“可控”的问题。最理想的状态是，在得到“指令”的时候马上能生产出“吹哨”因子，指令消失后即可停止，就像工厂里的生产线一样。
细胞级“无人工厂”实现光控
通过程序的设计实现生物学因子精准可控地释放，是合成生物学的技术优势。最初在设计“无人工厂”时，叶海峰考虑了多种控制方案，如物理、化学、电信号等都可以作为“指令”的传递载体。但当意识到光遗传学的手段发展起来之后，光作为“指令”载体的绝对优势让他果断放弃了其他手段。
光可以实现远程、无痕，这种优势是无法比拟的。与其他信号相比，光信号的非侵入性方式在临床安全性方面非常可贵，且能够对细胞活动进行明确的调节。
叶海峰团队发明的远红光控制的免疫调节工程细胞，解决了三方面的问题，即调控问题、生产问题、自保问题——
先前团队开发了一种基于远红光诱导遗传模块的光遗传工具，将其嵌入到活细胞工厂中，解决精准调控问题；
由于细胞工厂的高扩容能力，团队将多种免疫治疗细胞因子（IFN-β、TNF-α和IL-12）均纳入生产系统，解决“吹哨”因子的装配和生产问题；
细胞工厂组装成功后，还需要前往人体中。免疫系统可能将外来物清除，再通过将“细胞工厂”封装在水凝胶支架中，解决自保问题。
分析表明，这既能保护细胞不被破坏，也能保障工厂里的‘生产线’在收到光信号后的稳定、长期、可调控地生产。
在黑色素瘤切除小鼠模型上的实验也证明了这一点，“细胞工厂”放在手术伤口部位后，远红光光照两小时即可控制表达释放免疫调节细胞因子IFN-β、TNF-α、IL-12，而这些‘吹哨’因子调动小鼠自身免疫系统杀伤残余的肿瘤细胞，防止肿瘤复发和转移。
相较于传统治疗方式，工程细胞植入组的小鼠未见肿瘤复发，血清中抗肿瘤相关细胞因子浓度显著升高，脾脏和外周血中NK细胞、T细胞以及它们的活化细胞占比均显著升高，中央记忆型T细胞占比显著升高，且不会发生免疫系统过度激活。
作者：张佳星 来源：科技日报
五
新技术可快速测试数千种基因突变
使大规模编辑动物基因成为可能
近期，美国科学家开发出一种新基因编辑技术TARDIS，可一举测试数千种基因突变的影响，将以往需要耗时多年的工作压缩到几天内。生物学家可借此在动物身上开展新实验，比较一种基因的多种突变，找出导致特定特征的突变。相关研究已提交生物预印本网站bioRxiv.org，有望促进人们对疾病的理解。
俄勒冈大学研究人员将数百种甚至数千种可能的突变压缩到一个“库”内，库中每本“书”都代表基因代码的一小段，每小段都与目标基因中的一个工程缺口吻合。
这一设计意味着，研究人员可将整个突变“库”注入一个蠕虫体内，而不是将某个基因的不同版本注射进不同的蠕虫内。当蠕虫繁殖时，突变“库”会扩展，每个后代会从“库”中随机选择一本“书”来完成目标基因，并激活基因，结果他们获得了一群拥有随机选择基因突变的蠕虫。
最新研究负责人之一扎克·史蒂文森表示，虽然科学家此前已经为细菌和酵母等单细胞生物开发了大规模基因编辑技术，但这是首次在动物身上实现这种大规模基因编辑，该技术最终有望被应用于其它实验动物，如苍蝇或老鼠。
科学家们一直希望拥有同时创造许多基因突变的能力，因为在寻找使动物对特定药物产生耐药性的突变、帮助动物更好生存的突变或更不易感染某种疾病的突变时，可能需要筛选数十甚至数百种可能的基因突变，才能发现最有效的突变。此前，这些实验在动物身上进行得非常缓慢，科研人员需要对每个突变个体单独开展基因工程，制造一个突变体通常需要7到10小时，而使用新系统，“制造3到4个突变体所需的时间内，可以制作上千万个。”
研究人员表示，这项技术对于研究蛋白质之间的相互作用或细胞之间的信号传导尤其有用，有助更好地理解疾病。
作者：刘霞 来源：科技日报
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