世界一流科技期刊文章精选

人工智能

序列工作记忆在猕猴前额叶表征的几何结构

中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、中国科学院灵长类神经生物学重点实验室王立平研究组、上海脑科学与类脑研究中心闵斌副研究员和北京大学生命科学学院唐世明课题组合作，揭示序列工作记忆在猕猴大脑中表征的几何结构。相关成果发表于《科学》（Science）。人类大脑无时无刻不在处理序列信息，不论是语言沟通、动作实施还是情景记忆，本质上都涉及对时序信息的表征。另外，序列的执行需要一定的时间，大脑需要在应用时序信息之前记住整个序列。这一研究发现神经元以群体编码的形式表征了序列中的每一个空间位置，并在这些表征中发现了类似的环状几何结构。

基于铁电隧道结的类脑突触原型器件研究

中国科学技术大学物理学院李晓光、殷月伟等人在高性能类脑突触原型器件方面取得进展。相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communication）。目前，运行神经网络计算的硬件系统依然基于传统硅基运算器与存储器，能效远低于人脑。研制具有神经形态模拟功能的类脑器件，如神经网络硬件系统的核心器件“电子突触”，是进一步推进人工智能发展的重要途径之一。为执行复杂的人工智能任务，神经网络硬件系统对电子突触器件提出了诸多苛刻要求。研究基于对铁电畴形态和翻转动力学的设计，在铁电量子隧道结中实现了亚纳秒电脉冲下电导态可非易失连续调控的类脑突触器件，可用于构建人工神经网络类脑计算系统。

视觉注意的神经血氧耦合机制

北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室宋艳课题组利用脑电图（EEG）和功能性近红外光谱技术（fNIRS）联合记录及融合分析，绘制了高空间分辨率和高时间分辨率的注意的激活响应模式，揭示了注意背后有趣的神经血氧耦合机制。相关成果发表于《大脑皮层》（Cerebral Cortex）。我们每天都要对空间中不同位置的信息进行选择。由于短时间内大脑可获得的总能量是有限的，大脑如果要对更多的空间信息进行筛选，就需要对注意资源进行快速高效的分配。这个过程不仅伴随着对信息进行有效的表征编码，也伴随着根据以往的经验或先验信息进行灵活的注意分配。研究为注意在目标强化和干扰抑制机制的分离提供了来自神经血氧耦合方面新的证据。

客体的可操作性调节大小错觉加工的机制

中国科学院心理研究所脑与认知科学国家重点实验室蒋毅研究组采用脑功能成像技术开展了一项实证研究。相关成果发表于《皮质》（Cortex）。与控制条件相比，错觉条件显著激活了枕叶区域以及双侧顶上小葉（SPL）。以SPL、外侧枕叶皮层（LOC）和初级视皮层作为感兴趣区域进行的动态因果模型结果表明，在左侧脑区，客体的可操作性对大小错觉加工的调节效应表现为视觉识别系统（VI）内自相关的增强，SPL内自相关的减弱，以及LOC与SPL之间双向连接的增强。并且LOC到SPL的连接强度与行为水平上的调节效应具有显著的正相关，但是在控制条件下以及在右半球均没有发现类似的结果。

序列记忆在神经高维向量空间的表征[图片来源于中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）网站]

猕猴空间序列记忆任务[图片来源于中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）网站]

人工智能

基于统计改正卷积神经网络的GNSS-R信息融合海面风速反演方法

武汉大学卫星导航定位技术研究中心、人工智能研究院郭文飞、郭迟等人与合作者在人工智能、导航及遥感交叉领域取得新突破。相关成果发表于《环境遥感》（Remote sensing of Environment）。研究提出了一种将人工智能、卫星导航与遥感相融合的技术思路，设计了一种基于累计分布函数改正的卷积神经网络模型。这一模型利用一个端到端的人工智能网络自适应提取DDM中的有效特征，并融合有效波高等辅助信息得到初步的风速反演结果。研究发挥了深度学习技术的优势，可以有效融合任何影响海面风速反演的参数，从而建立一个完备且鲁棒性强的风速反演模型，反演风速不随时间漂移。

纹状体多巴胺D1受体阳性神经元促进小鼠觉醒

上海医学院黄志力课题组发现背侧纹状体多巴胺D1受体（Dopamine D1 receptor，D1R）阳性神经元参与觉醒的启动和维持。相关成果发表于《当代生物学》（Current Biology）。研究利用光遗传学、化学遗传学、光纤钙信号测定神经元活性和脑电/肌电记录等方法研究了背侧纹状体D1R神经元调控睡眠觉醒的作用及神经环路。结果发现光遗传学激活背侧纹状体D1R神经元诱导小鼠从非快眼动 （Non-rapid Eye Movement，NREM） 睡眠到觉醒的快速转变，而抑制纹状体D1R神经元活性，显著减少小鼠觉醒时长。研究结果表明，纹状体D1R神经元整合上游信号，通过下游核团（苍白球和黑质）调控小鼠觉醒。

单细胞微纳生物探测研究

中国科学院沈阳自动化研究所微纳米自动化课题组利用微纳操作机器人在单细胞力学特性探测方面取得新成果。相关成果发表于《生物化学与生物物理进展》。细胞力学特性与细胞生理病理变化过程及机体健康状态密切相关，研究单个细胞的力学特性及其对外源刺激的响应规律对于揭示生命活动内在机制具有重要科学意义。针对单细胞精准药物激励和力学特性同步检测难题，将原子力显微镜（AFM）技术和玻璃微针技术结合，提出了可对单个细胞进行超微量药物递送及力学特性同步测量的方法。在此基础上分析了化疗药物分子对单个细胞力学特性的实时影响。研究结果为细胞-药物之间相互作用的精准定量原位动态分析提供了新思路。

大脑网络动力学分析研究进展

上海交通大学自然科学研究院和数学科学学院的李松挺课题组利用微扰理论，揭示了大脑皮层中时间尺度层级化现象背后的数学机制和对应的生物学解释。相关成果发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。在大脑皮层中，不同脑区的神经元对外界输入的响应时间尺度有着显著差异，且响应时程大致随着脑区的层级增加而变长。具体在视觉皮层等感知觉脑区，神经元的反应时间尺度较快，使其能够快速响应外界的输入信号;而在前额叶皮层等高级认知脑区，神经元的反应时间尺度较慢，使其能够在积累充分的信息输入之后再做出重要决策。研究为大脑皮层中时间尺度层级化现象的产生提供了定量的数学机制解释，提出可在实验上被检验的若干理论预测。

基于累计分布函数改正的卷积神经网络模型（图片来源于武汉大学新闻网）

反演风速的时空性能（图片来源于武汉大学新闻网）

动物研究

蜥蜴能量代谢对温度驯化响应的纬度格局与机制

中国科学院动物研究所生态适应与保护生物学研究组孙宝珺等人与国内外合作者，以中国大陆分布的白条草蜥、北草蜥和南草蜥等草蜥属（Takydromus）蜥蜴为研究对象，阐明了草蜥物种能量代谢温度驯化的纬度格局及其机制，并且预测热带外温动物因较低的代谢可塑性而可能受气候变暖的威胁。相关成果发表于《生态学专论》（Ecological Monographs）。研究聚焦气候变暖前沿，结合基础科学问题，应用生理生态学的经典手段和前沿的组学方法相结合，从个体到组学的多层次揭示了中高纬度区域物种响应温度变异的格局和机制，为气候变化背景下爬行动物的保护对策提供理论依据与科学指导。

铜过载损伤斑马鱼胚胎发育过程中血管和淋巴管生成的机制

华中农业大学水产学院鱼类逆境发育遗传学团队刘静霞等人发现铜过载损伤血管和淋巴管生成的机制。相关成果发表于《血管生成》（Angiogenesis）。铜在人体内是仅次于锌和铁的第三大微量元素，在机体内发挥一系列重要的生理功能，铜的缺乏与过载都会导致一系列发育缺陷及疾病的发生。研究表明，铜过载通过下调pERK1/2-foxm1-MMP2/9调控轴，进而影响内皮细胞的迁移而非影响增殖导致血管生成缺陷。此外，铜过载通过上调ccbe1启动子区域的转录因子结合位点的DNA甲基化水平，使转录因子E2F7/8与ccbe1启动子的结合丰度降低，进而下调ccbe1的表达导致淋巴管生成缺陷。

油菜蜂花粉致敏原及其发酵降敏机制

中国农业科学院蜜蜂研究所蜂产品质量与风险评估团队研究揭示油菜蜂花粉的潜在致敏机制和酵母菌发酵的降敏机制。相关成果发表于《营养前沿》（Frontiers in Nutrition）。蜂花粉是蜜蜂将花蜜及唾液腺分泌物加入其所采集的花粉粒中形成的团状物。蜂花粉营养成分十分丰富，具有极高的食用与药用价值，但同时也存在尚未确定致敏风险与过敏原。研究利用基于质谱的蛋白质组学分析方法，在甘蓝型油菜蜂花粉中发现了两种潜在的过敏原glutaredoxin和oleosin-B2，并利用生物信息学方法预测了它们的抗原表位。相較于未发酵样品，经酿酒酵母发酵后的glutaredoxin和oleosin-B2的含量显著降低。

云南高黎贡山发现捻翅目昆虫新种

中国科学院昆明动物研究所董志巍、李学燕，中国农业大学刘星月等人合作，在云南高黎贡山地区发现捻翅目昆虫新种。相关成果发表于《动物之谜》（ZooKeys）。高黎贡山是全球生物多样性热点地区，具有丰富的昆虫多样性，也是众多珍稀昆虫和具有特殊演化地位的昆虫栖息地。捻翅目（Strepsiptera）是一类具有特殊演化地位的昆虫，从形态、行为、生物学习性到遗传基础方面都展现了特殊的特征。研究者从栖息于高黎贡山的两种常见食用胡蜂——黄脚胡蜂和黑盾胡蜂体内采集到许多不同虫态的捻翅虫。借助分子数据确定了寄生于这两种胡蜂体内的捻翅虫为同一物种，并通过形态观察确定了这一捻翅虫种类。

中国大陆草蜥能量代谢的多层次驯化响应（图片来源于中国科学院动物研究所网站）

中国大陆草蜥能量代谢驯化响应的代谢通路调控差异（图片来源于中国科学院动物研究所网站）

动物研究

长江野生鱼类肠道内微生物大多只是“匆匆过客”

中国水产科学研究院长江水产研究所杨海乐等人发现长江野生鱼类肠道内微生物主要来自与鱼类食性相关的环境微生物。它们大多只是“匆匆过客”（暂住者），和宿主形成稳定适应的常住者占比很低。相关成果发表于《微生物学前沿》（Frontiers in Microbiology）。在水生动物中，肠道微生物群落结构随着宿主发育和生存环境而发生变迁，理解环境影响水生动物肠道微生物的机制对于评估和管理水生态系统健康至关重要。受临时微生物引入的驱动，具有相似栖息生境和食性的鱼类具有相似的肠道微生物群落，对于成年鱼类，肠道内大多数微生物主要来自与鱼类食性相关的环境微生物。

通风布局对规模鸡场生物气溶胶交叉传播的影响

中国农业大学水利与土木工程学院李保明教授团队揭示了鸡舍进风口和排风口布局对场区舍间生物气溶胶交叉传播的影响，证实了当前规模鸡场冬季采用侧墙排风加剧了生物气溶胶在场区的积聚和舍间交叉传播，为规模鸡场建筑布局、鸡舍排风与主导风向关系等场区生物安全工程防控设计标准制定提供了科学依据。相关成果发表于《危险材料杂志》（Journal of Hazardous Materials）。畜禽养殖过程产生的大量生物气溶胶（包括病原）会伴随舍内通风换气排放至舍外，使得养殖场区暴露在较高浓度的生物气溶胶环境中。病原空气传播防控难度大，畜禽场合理的规划布局和通风设计可有效降低场区生物气溶胶浓度，是实现源头防控的关键。

白瞳症眼弓蛔虫病全球新病例

四川农业大学动物医学院动物寄生虫病研究中心谢跃副教授与中山大学中山眼科中心丁小燕教授团队合作，开展了表现为白瞳症的眼弓蛔虫病研究。相关成果发表于《柳叶刀·感染病学》（The Lancet Infectious Diseases）。文章研究报道了一名8岁男童因右眼出现白瞳超过2个月而到中山大学中山眼科中心就诊的病例。经过流行病学史调查发现，男孩有长期玩犬的习惯，且其家中宠物犬从未进行过驱虫治疗。根据眼部临床表征，结合四川农业大学动物寄生虫病研究中心和中山大学眼科中心在人畜共患寄生虫病方面的病例共识，两校学者初步怀疑男童可能感染犬蛔虫病。随后，两个团队通过实验室血清学检测很快确诊男童患白瞳症眼弓蛔虫病。

基因编辑猪研究进展

中国农业科学院北京畜牧兽医研究所牟玉莲、李奎等人建立了一种名为报告RNA富集的双引导RNA核蛋白高效编辑技术体系，可用于快速制备无外源DNA（Transgene-free）基因编辑克隆猪，并利用这一体系获得了WIP1基因编辑的雄性繁殖障碍模型猪。相关成果发表于《中国科学：生命科学》。研究人员以高繁殖力著称的我国地方猪种“梅山猪”为材料，利用RE-DSRNP体系靶向编辑WIP1基因。结果表明，在获得的32头断奶克隆猪中，有31头为WIP1基因编辑型，15头为预期的38bp DNA片段缺失纯合子类型，所有的克隆猪均未检测到脱靶，且WIP1基因编辑猪表现出明显的雄性繁殖障碍表型。

水生生物肠道微生物定殖和动态的简化框架模型（图片来源于中国水产科学研究院长江水产研究所网站）

基于不同鱼类组肠道微生物群落组成的群落热图（图片来源于中国水产科学研究院长江水产研究所网站）

区域发展

发达国家和发展中国家消费相关的硫酸盐气溶胶的气候效应相近

北京大学物理学院大气与海洋科学系林金泰、中国科学院大气物理研究所黄刚等人评估了发达国家和发展中国家消费活动相关的硫酸盐气溶胶对全球温度和降水的影响。相关成果发表于《自然·地球科学》（Nature Geoscience）。研究发现，发展中国家消费活动所引起的硫排放和硫酸盐浓度在亚洲中低纬地区存在明显的极大值，这也导致了有效辐射强迫最大值集中在北半球中低纬度地区;相比之下，发达国家消费相关的硫酸盐在北半球的纬向分布较为均匀，并且整体所处的纬度更高。由于高纬地区大气环流、海冰等系统对辐射变化更加敏感，因此，发达国家虽然硫排放总量小于发展中国家，但其单位硫排放引起的有效辐射强迫和气候效应更强。

我国煤电产业链碳足迹空间转移机制

中国科学院青岛生物能源与过程研究所田亚峻等人完成了关于识别我国省际煤电产业链碳足迹空间转移的研究。相关成果发表于《清洁生产杂志》（Journal of Cleaner Production）。以2016年数据为例，电煤流在运输阶段造成了约1.2亿吨二氧化碳当量的省际碳足迹（主要是煤炭开采阶段的温室气体排放）转移，其中约8.1%在输电阶段又发生了二次转移。煤电流在输电阶段造成了约6亿吨二氧化碳当量的省际碳足迹（主要是煤炭发电阶段的温室气体排放）转移，约占煤炭发电碳排放总量的15%。随电煤流转移到北京的碳足迹中约70%来自山西，从而准确地识别了山西能源对北京的贡献程度;电煤流碳足迹在二次转移中出现了“回流”到原产煤省，以及两产煤省“互流”的现象。

雅鲁藏布江源区输沙量对气候变化的响应研究

中国科学院青藏高原研究所环境变化与多圈层过程团队与合作者以雅鲁藏布江河源区（奴各沙站以上）为例，系统分析了1972—2008年的流域内气温、降水和输沙量等数据资料，定量刻画了气象要素、冰川融水、土壤冻融和植被覆盖等因子对输沙量年际变化的贡献率。相关成果发表于《全球和行星变化》（Global and Planetary Change）。研究定量刻画了冰冻圈关键要素变化对江河源区输沙量的影响，明确了植被对水土流失的有效缓冲作用，为气候变化增加河流输沙量的论点提供了可靠论据，为高寒流域径流泥沙变化归因研究提供了有效的理论框架，对理解未来气候变化下的高寒流域水土资源环境与生态安全屏障功能具有重要意义。

CCUS商业化战略框架研究进展

中国科学院武汉岩土力学研究所二氧化碳地质封存组科研人员对中国碳捕获、利用与封存（CCUS）商业化战略框架开展了研究。相关成果发表于《国际温室气体控制杂志》（International Journal of Greenhouse Gas Control）。CCUS技术是碳中和的战略与托底技术。CCUS与传统化石能源工业相容，可实现现有能源与产业结构的可持续发展及碳中和。CCUS商业化是CCUS技术实现大规模应用、充分发挥其减排作用的前提。商业化战略是以实现CCUS商业化应用为目的的金融财税、法规、政策、标准、程序等为主要内容的一系列安排。合理可行的商业化战略有利于CCUS的高效、健康与有序发展。文章通过国际比较分析，提出了近期需要开展的重点工作建议。

发展中国家（左）和发达国家（右）消费相关的硫酸盐气溶胶引起的全球温度响应（上）和降水响应（下）（图片来源于北京大学新闻网）

发展中国家（左）和发达国家（右）消费相关的SO2排放（上）、生产相关的SO2排放（下）的空间分布（图片来源于北京大学新闻网）

区域发展

城-乡人口迁移与流动的区域植被恢复研究

中国科学院亚热带农业生态研究所环江喀斯特生态系统观测研究站王克林研究员团队在社会-生态视角下城-乡人口迁移与流动的区域植被恢复固碳效应研究方面取得重要进展。相关成果发表于《自然·可持续发展》（Nature Sustainability）。研究表明中国快速城市化与碳中和的目标并不相互排斥，大规模城-乡人口迁移与流动可以释放农村地区人类活动对自然生态系统的扰动压力，促进植被覆盖与生物量的增加，提升生态系统的固碳能力，有助于国家碳中和目标的实现。研究也发现，近年来中国森林覆盖度的增加趋势减缓，森林生长饱和可能限制其长期固碳能力，特别是大规模人工林生态服务功能单一，未来生态保护与修复应重点关注生态固碳的稳定性与可持续性。

增温引起中国区域土壤湿度损失路径的显著转变

中国科学院大气物理研究所李明星等人利用植被蒸腾与土壤蒸发量之比无量纲化模式土壤水分过程变量，增强陆面水循环过程对气候变化的响应信号。相关成果发表于《水文气象学杂志》（Journal of Hydrometeorology）。研究检测出了1979—2014年植被蒸腾比例较土壤蒸发量显著增加的趋势（除内蒙古东部地区和华北灌溉农业区外），与遥感观测到的中国区域绿化过程具有很高的一致性。这表明随着气候变暖，土壤湿度的损失路径逐渐向植被蒸腾增强、土壤蒸发减少的趋势演变，植被过程在陆地水循环中的作用增强。此研究關于土壤湿度损失路径转变的发现，有助于认识增温影响陆面水循环变化机理和评估水资源利用及陆地生态系统碳汇的潜在变化。

城市绿地与微地形能配合调节局地小气候

中国科学院城市环境研究所吴志丰、任引等人在街区尺度上探讨绿地与微地形的配合对于局地小气候的影响。相关成果发表于《农业与森林气象学》（Agricultural and Forest Meteorology）。合理布设城市绿地是减缓“城市热岛”强度、改善局地热环境的最为可持续的方法之一。研究结果表明，植被的降温效率与其总叶面积呈正相关，微地形对上风向绿地的降温效应会产生影响，其影响受来风速度调节，在风速为1m/s时，微地形坡度起伏在10°～30°之间对上风向绿地的降温没有明显影响，但当风速增加到3m/s后，微地形坡度的变化对上风向绿地对下风向开敞空间近地表气温的影响开始显现，并粗略呈现先增强后减弱的效果。

西北太平洋生物固氮的营养盐调控机制

厦门大学海洋与地球学院、近海海洋环境科学国家重点实验室史大林教授课题组与国内外合作者揭示了铁和氮供给比率（Fe∶N supply ratio）是调控热带和亚热带西北太平洋生物固氮的重要因子，为全球海洋尺度上认识海洋生物固氮的时空格局及其调控机理提供了重要的观测和理论依据。相关成果发表于《科学进展》（Science Advances）。相关研究阐明了西北太平洋从边缘海到开阔大洋的固氮速率和固氮生物的空间格局，发现固氮速率和固氮生物丰度与硝酸盐跃层深度以及Fe∶N比值显著相关，揭示西北太平洋固氮作用的铁、磷营养盐限制及其空间变异性，并建模重现了Fe∶N供给比率对西北太平洋的固氮作用及其营养盐限制的调控过程。科

西南喀斯特地区城-乡人口流动及植被地上生物量碳密度变化（图片来源于中国科学院亚热带农业生态研究所网站）