科技名刊精选

人工智能与神经网络

揭示兴奋性自突触（Autapse）作为神经元簇状发放的新机制

北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室舒友生团队与三博脑科医院合作，揭示兴奋性自突触（Autapse）作为神经元簇状发放的新机制。研究论文发表于Nature Communications。自突触具有突触传递功能，其形成具有细胞特异性；自突触的激活可增强神经元的反应性，促进簇状发放，并且有利于对重合事件的检测。自突触在调节神经元信号处理方面发挥重要作用。自突触不是冗余的，不是随机的，而是与细胞类型的功能相适应的重要结构。细胞的簇状发放有利于提高突触传递的忠实性和非线性整合，从而有效地把皮层信息往皮层下核团传递，增强脑区间的功能性连接。

兴奋性自突触及其功能。自突触仅表达谷氨酸的AMPA受体，不表达NMDA受体。自突触促进神经元的簇状发放，增强脑区间的功能性连接。（图片来源于北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室）

轴突激光烧断技术揭示兴奋性自突触的存在（图片来源于北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室）

研发AI新技术实现肿瘤检测

中国科学院自动化研究所、中国科学院分子影像重点实验室针对小动物活体的生物自发光断层成像重建精度较差的问题，开展了基于人工智能技术的新型成像方法研究，将小鼠颅内脑胶质瘤的三维定位精度，由传统方法的百微米级误差缩小到了10微米级。研究论文发表于Optica。通过自主研发的MOSE光学仿真平台，提出一种新型的仿真数据构建方法，人工构建了近8000例的原位脑胶质瘤荷瘤小鼠；并基于这一数据库，构建了一种新型的机器学习方法。在人工智能模型通过该方法训练和构建完成后，研究团队构建了数十只原位脑胶质瘤荷瘤小鼠的动物模型，新型人工智能方法对于脑胶质瘤的三维定位误差均小于80微米。

关于饥饿抑制母性筑巢行为的研究

中国科学院神经科学研究所、脑科学与智能技术卓越创新中心、神经科学国家重点实验室许晓鸿课题组与相关单位合作，探索了饥饿和母性行为的相互拮抗关系及其神经环路基础。相关研究成果发表于《神经科学杂志》。主要发现有：控制摄食行为的Agrp神经元对于控制母性行为的内侧视前区有抑制性投射；光遗传学激活Agrp神经元特异性地减少母性筑巢行为，却不影响叼幼崽的行为，部分模拟饥饿对于母性行为的抑制作用；光遗传学刺激Agrp神经元到内侧视前区的投射同样特异性地抑制母性筑巢行为，而刺激Agrp神经元到下丘脑外侧区的投射对母性行为没有显著性影响等。最后提出饥饿和母性行为相互拮抗的神经模型。

单分子DNA巡航机器人

上海交通大学化学化工学院教授樊春海与同济大学教授柳华杰、慕尼黑工业大学教授Fritz Simmel等合作，研制了一种单分子DNA巡航机器人，并实现了纳米尺度的迷宫行走。研究成果发表于《自然—材料》。DNA分子具有卓越的碱基配对识别能力，可以实现精确的分子自组装，并构筑出具有高空间分辨和定位能力的纳米结构。将DNA杂交链式反应精确“锚定”到DNA纳米结构上，实现在纳米界面上沿着设计路径的分子级联反应。借助于原子力显微镜和超分辨显微镜等单分子成像技术，可清晰观察到DNA分子机器人的行走轨迹。该DNA分子机器人在引发信号链的作用下，在沿着预先设定的路径直线或转弯行走。

人工智能与神经网络

基于液态金属结构色的可伪装柔性机器人

中国科学院理化技术研究所的饶伟研究员团队和宋恺研究员团队的合作，发现基于液态金属结构色的可伪装柔性机器人，研究成果发表于ACS Applied Materials & Interfaces。文章报道了液态金属表面在牺牲金属或电场的刺激下可产生变色现象，使得液态金属具备了类似章鱼等头足纲动物柔软可变形变色的特点。镓基液态金属的变色是由于其表面产生了百纳米厚的三氧化二镓介孔薄膜。当放置在石墨基底上并与电解质溶液中的铝箔混合时，液态金属表面上出现银白色到金色最后到黑暗的颜色变化。而在电场的调节下，薄膜的上下表面光滑，入射光发生薄膜干涉，使得液态金属表面可以出现类彩虹色的分布。

液态金属可伪装变色的柔性机器人展示（图片来源于中国科学院理化技术研究所）

液态金属结构色及其变色原理（图片来源于中国科学院理化技术研究所）

婴幼儿脑连接组发育模型的综述

北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室贺永课题组，通过总结近年婴幼儿神经影像和脑连接组学领域的研究成果，强调了采用图论数学模型揭示婴幼儿脑网络拓扑发育机理的重要价值。相关成果发表于NeuroImage。人脑的结构和功能网络在出生前已初步具备了高效的拓扑连接结构，但脑结构网络的发育领先于功能网络，为脑功能发展奠定了结构基础。同时，脑网络在婴幼儿阶段遵循着异质性的等级发育规律，即初级系统先发育，高级系统后发育；出生前更偏向于功能分离，出生后更偏向于功能整合。文章进一步指出了当前婴幼儿脑连接组图论计算模型领域所面临的重要挑战和未来发展方向。

类生命机器人感知领域研究

中国科学院沈阳自动化研究所机器人学研究室微纳米课题组提出用细胞机械特性来表征光遗传学工程化细胞的光响应特征，为建立基于活体细胞的生命本征感知器件奠定了基础。研究论文发表于Nanoscale。科研人员将可表达出具有高速光敏特性视蛋白的基因转入目标细胞，使目标细胞成为光敏生物单元，进而将该工程化细胞与微纳机电系统相融合，构建全新的类生命感知器件，期望全面复现光敏蛋白所具备的本征生物感知特性。科研人员提出了一种新的细胞光响应特性表征方法，利用光输入导致细胞机械形变这一物理现象，将超精密检测与单细胞工程结合，实现了细胞光响应特性的快速表征。

类脑计算器件领域研究进展

清华大学精密仪器系类脑计算团队施路平教授等与清华大学类脑计算研究中心、北京大学化学与分子工程学院和清华大学生命科学学院的科学家合作，开展硒氧化铋三端忆阻器件中长短期可塑性共存和独立表达研究，研究论文发表于Advanced Materials。突触可塑性被认为是生物大脑学习和记忆功能的基础。突触中既存在长期可塑性也存在短期可塑性，多种尺度的可塑性机制对揭示大脑复杂的认知功能有重要作用。该工作报道了在忆阻器中能模拟同时存在且独立表达的神经突触长短期可塑性，为类脑计算器件的发展提供了重要的思路，并有望借此在类脑计算硬件网络中实现不同时域的神经动力学过程。

物理科学

微腔非线性光学研究进展

北京大学物理学院“科技部极端光学创新研究团队”肖云峰研究员和龚旗煌院士领导的课题组利用超高品质因子回音壁模式光学微腔，极大增强了表面对称性破缺诱导的非线性光学效应，得到的二次谐波转换效率提升了14个数量级，研究成果发表于Nature Photonics。为了充分发挥微腔“双增强”效应，他们发展了一种动态相位匹配方法，利用光学微腔中热效应和光学克尔效应的相位调制，高效地实现了基波和谐波信号同时与微腔模式共振，进一步对基波偏振和二次谐波模式场分布的测量分析，成功提取了只有表面对称性破缺诱导的非线性信号，排除了体相电四极响应的干扰。该研究发展的动态相位匹配机制具有普适性。

表面二次谐波效应示意图（左）与光学微腔增强表面非线性效应（右）（图片来源于北京大学新闻网）

跨尺度的结构超滑和超低摩擦

清华大学工程力学系、微纳米力学与多学科交叉研究中心暨摩擦学国家重点实验室郑泉水教授团队，与国内外学者合作，将关于“跨尺度的结构超滑和超低摩擦”的综述文章发表于Nature。摩擦、磨损对人类社会影响深远。据统计，全球约1/4的一次性能源因摩擦而损耗，约80%的器件失效由磨损而引起。两个固体表面直接接触并相对滑移运动，摩擦磨损主要源于表面本身的粗糙性、表面之间的夹杂物和化学键等。该篇展望综述更新介绍了结构超滑进展，并阐述了结构超滑未来的发展趋势和主要面临的挑战。结构超滑很可能正处于产生颠覆性关键技术和源头创新技术的前夜。

鱼群—水中运动的“晶体点阵”

中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室张星研究员等将关于“莱特希尔猜想”的最新研究成果，发表于Journal of the Royal Society Interface。鱼如何在快速运动中始终保持稳定的队形？通过数值模拟，研究了由多个仿鱼式自主推进体组成的“仿生鱼群”。研究发现，对于2，3，4条仿生鱼组成的鱼群，一共发现了14种自发形成的稳定队形。其次，在所有的稳定队形中，并列式队形所能达到的推进效率最高。后一个发现质疑了流体力学界广为流传的“钻石型（菱形）队列效率最优”的论断。上述发现的生物学证据可以在最近的浅水槽鱼群实验中找到。

去禁闭量子临界点谱学研究进展

中国科学院物理研究所博士后马女森、博士生孙光宇、特聘教授Anders Sandvik （善德伟）、研究员孟子杨与美国加州大学圣地亚哥分校助理教授尤亦庄、圣巴巴拉分校教授许岑珂，哈佛大学教授 Ashvin Vishwanath 组成的研究团队，运用量子蒙特卡洛和随机解析延拓的数值方法，以及量子场论解析分析，系统回答“要在量子磁性材料中子散射实验中观察到去禁闭量子临界现象，应该寻找怎样的谱学信号”的问题，相关论文发表于Physical Review B。并预言：如果去禁闭量子临界现象在量子磁性材料中存在的话，在中子散射实验中应该看到什么自旋激发谱学现象；此外，应该看到什么与遵从LGW的普通量子磁性相变不同的现象。

物理科学

柔性曲率传感器研究

中国科学院力学研究所科研团队与大连理工大学及北京航空航天大学合作，从力学结构设计出发，研制了适用于可穿戴设备的薄膜贴片式柔性曲率传感器。研究论文发表于Advanced Materials Technologies，苏业旺、李锐、陈玉丽为共同通信作者。该传感器可以精确测量被测曲面的动态弯曲曲率和弯曲角度，而且其弯曲测量结果不受拉伸变形的影响，因此，在实际应用过程中，不要求传感器与被测曲面完美黏合，只需要贴合（允许小范围滑动，如戴手套或穿紧身衣的方式）即可。该传感器非常适合与穿戴服饰集成，可应用于关节弯曲监测、手势识别、坐姿监测等柔性智能穿戴设备。

曲率传感器用于手势识别和坐姿监测（图片来源于中国科学院力学研究所）

（a）应变传感器与（b）曲率传感器用于关节弯曲变形监测的优劣势（图片来源于中国科学院力学研究所）

以磁为镜：对非晶合金流变载体剪切带的新认识

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室汪卫华研究员、柳延辉研究员、孙保安研究员等，以磁性铁基非晶合金为模型体系，通过对起源于磁弹性耦合的磁畴测量直观地揭示出非晶合金的剪切带影响区，并通过对磁畴结构的分析，对剪切带的结构、扩展和相互作用等前沿问题进行了系统研究，关于剪切带新认识发表于Nature Communications。不同于晶体材料中原子长程有序的晶格结构导致的各向异性磁结构，铁基非晶合金，原子排列长程无序，表现出优异的软磁性能，同时其磁矩分布对磁弹性耦合作用十分敏感。因此，可以用磁畴作为反映非晶合金塑性形变后局域变形的“显微镜”。

梯度纳米孪晶金属中的额外强化与加工硬化研究

中国科学院金属研究所卢磊研究员课题组和美国布朗大学高华健教授研究组合作，发现增加结构梯度可实现梯度纳米孪晶结构材料强度—加工硬化的协同提高，甚至可超过梯度微观结构中最强的部分。相关研究成果发表于Science。梯度纳米孪晶铜额外的强化和加工硬化归因于梯度结构约束而产生的大量几何必需位错富集束。这些位错富集束在变形初期形成，沿着梯度方向均匀分布在晶粒内部。这种均匀分布的位错束结构与均匀结构材料中随机分布的统计储存位错结构截然不同。具有超高位错密度的位错富集束变形过程中通过阻碍位错运动、有效抑制晶界应变局域化从而提高梯度纳米孪晶结构的强度和加工硬化。

利用压电极化效应实现ZnO回音壁激光模式动态调控

中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、潘曹峰研究员及卢俊峰博士结合ZnO光学微腔自身压电特性及其激光模式，通过外部机械应变产生的ZnO谐振腔晶体内部的离子极化，改变折射率，实现相干激光的动态调控。研究论文发表于ACS Nano。文章系统分析了应变对ZnO折射率的影响，建立了应变与模式移动的对应关系，获得了超精确度的应力传感，相比较压阻效应引起的能带移动所导致的自发辐射谱的移动，其光谱分辨能力提升了一个数量级。该研究为动态调控相干光源提供了一种行之有效的方法，同时也为发展一种基于颜色分辨的应力传感元器件提供了新思路。

环境与保护

絮凝水处理技术研究进展

北京大学环境科学与工程学院赵华章教授团队与耶鲁大学Menachem Elimelech教授团队等合作，制备一步去除水中污染物的仿海葵多功能纳米絮凝剂，研究论文发表于Nature Nanotechnology。研究团队制备了智能化仿海葵纳米絮凝剂，在使用前呈核壳胶束结构存在于水中，解决了多数絮凝剂在储运过程中易失稳的难题。使用时会发生类似海葵捕食的构型反转：由铝硅复合物组成的“壳”会水解相变，像普通絮凝剂那样去除悬浮物和胶体；由有机官能团组成的“核”外翻并环绕固定于“壳”上，像海葵的触手一样捕捉水中小分子，诱发小分子形成凝聚核进而形成絮体去除。新型絮凝剂可实现一步去除悬浮物、胶体和溶解性污染物。

仿海葵纳米絮凝剂广谱去除水中污染物（图片来源于北京大学新闻网）

重金属汞与微生物相互作用

华中农业大学资源与环境学院土壤微生物团队刘玉荣教授课题组与国内外合作者在关于重金属汞污染与微生物研究方面取得进展，相关成果分别发表于Microbiome、Environmental Science & Technology。汞是一种可以长距离传输的有毒污染物，具有很高的健康和生态风险。研究采用多元组学等方法揭示了长期土壤汞污染对土壤微生物群落与功能基因的影响机制。并基于微生物群落网络分析解释了土壤汞污染对主要微生物生态类群的影响。阐明了稻田土壤中参与无机汞甲基化的主要微生物类群及其相对丰度。发现了铁还原菌和产甲烷菌可能是稻田土壤甲基汞生成的主要驱动者。

极危物种东北豹全球种群动态格局与生存现状

北京师范大学生态学科虎豹研究团队（国家林业和草原局东北虎豹监测与研究中心）在东北中俄边境地区建立大尺度的生物多样性长期定位监测网络体系，为东北虎豹国家公园的建设提供长期科学支撑，葛剑平教授、冯利民副教授和俄罗斯豹地国家公园科研团队合作，报道了中俄科学家长期合作虎豹研究的成果，研究论文发表于Conservation Letters。东北豹全球种群目前仅分布于中国的东北虎豹国家公园和俄罗斯豹地国家公园及周边，种群数量在84只（70～108）左右，其中约40%的个体在中俄边境线两侧来回活动。比10年前的估计数量相比，东北豹全球种群已经增长约3倍。同时，东北豹种群呈现向中国境内不断增长扩散的趋势。

氮氧化物选择性催化还原研究进展

中国科学院生态环境研究中心、城市环境研究所贺泓院士领导的研究团队，在氨选择性催化还原氮氧化物（NH3-SCR）研究方面取得进展，研究论文发表于Science Advances。氮氧化物（NOx）是一类重要的大气污染物，参与形成酸雨、光化学烟雾、灰霾等一系列大气复合污染，严重危害生态环境和人类健康。人类活动产生的NOx主要来源于电厂等固定源和机动车等移动源的燃烧排放。该研究借助量子化学计算方法从原子水平阐明了钒基SCR催化剂去除NOx的微观基元反应全过程。在实验上成功通过控制催化剂表面硫含量设计合成出了低聚态氧化钒活性中心结构，实现了在低钒负载量（1wt.%）下低温SCR活性的显著提升。

环境与保护

微塑料污染了全球海洋的最深区域

中国科学院深海科学与工程研究所彭晓彤研究员团队对全球海洋的最深区域——马里亚纳海沟挑战者深渊及邻域环境中的微塑料开展了研究，研究论文发表于Geochemical Perspectives Letters。结果表明，在马里亚纳海沟2673m～10908m底层海水中，微塑料含量为2.06～13.51个/L，比开放大洋表层及次表层水中微塑料含量高出数倍；在马里亚纳海沟5108m～10908m表层沉积物中，微塑料含量为200～2200个/L，也明显高于大多数深海沉积物中的含量。以上结果表明，人造微塑料已经污染了世界海洋的最深区域，海沟地貌单元有可能是全球微塑料的重要储库之一。这些微塑料极有可能对深渊脆弱而独特的生态系统构成潜在威胁。

马里亚纳海沟底层水体中的微塑料（图片来源于中国科学院深海科学与工程研究所）

大气二次有机气溶胶研究进展

中国科学院城市环境研究所大气污染化学控制研究组陈进生研究员等，在华东地区高山森林背景点（国家大气背景监测福建武夷山站）为期一年采集大气颗粒物样品，结合空气污染物和气象因子的在线监测数据，以及气团轨迹模型等方法，对SOA示踪物的组成、来源及迁移转化进行研究，研究结果发表于Science of the Total Environment。在夏季，异戊二烯示踪物浓度最高，占到总SOA示踪物的76%；秋冬季，由于低温及大气中氮氧化物浓度增加，高氮产物2-甲基甘油酸的占比明显增加。从α/β-蒎烯的组成来看，武夷山大气气溶胶老化程度较高。最后，利用SOA示踪物法估算了武夷山大气PM2.5中二次有机碳（SOC）的浓度。

水母毒素致死机制研究

中国科学院海洋研究所李鹏程研究团队在水母毒素致死机制研究领域取得的进展，研究结果可为研制水母蜇伤治疗药物以及应对重症水母蜇伤患者的急救提供理论指导，研究论文发表于Journal of Proteome Research。水母蜇伤是全球普遍存在的严重的公共健康与安全问题之一。每年由水母蜇伤引起的致伤或致残甚至死亡人数众多，严重威胁滨海地区的游客、渔民、军人等涉海人员的健康和生命安全。近几年，在我国一些沿海区域出现多起水母蜇伤致死事件。然而，目前我国尚无应对水母蜇伤治疗和应急的特效治疗药物，对水母蜇伤造成的毒性损伤和致死原因也不甚明了。

绵羊基因组学研究揭示了人类定居青藏高原的历史及西藏绵羊的适应性进化

中国科学院动物研究所李孟华研究组以西藏绵羊的基因组数据和考古遗迹统计为基础，阐述了全新世晚期史前人类分为两个阶段从平原地区通过黄土高原走向青藏高原腹地的过程，为早期人类定居青藏高原的历史和早期畜牧业的发展提供了新见解。研究论文发表于Molecular Biology and Evolution。人类在青藏高原的生活足迹可以追溯到至少20000年前。在全新世的不同阶段，由于人类可利用的技术（如细石器）和农牧业（如驯化的小麦，青稞和绵羊）的出现，青藏高原上的人口出现了大规模间歇性的扩张。西藏绵羊作为高原牧区重要的家畜，可作为模式动物来研究史前人类迁徙走上青藏高原的历史进程和家养动物的高原适应性机制。