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全腦規(guī)模數(shù)字孿生腦平臺(tái)發(fā)布，距離“最強(qiáng)大腦”還遠(yuǎn)嗎？

數(shù)字孿生腦是利用和借鑒數(shù)字孿生技術(shù)，通過(guò)逆向工程技術(shù)構(gòu)建生物大腦的數(shù)字副本，“破譯”腦在信息處理與神經(jīng)編碼原理的方式，實(shí)現(xiàn)從結(jié)構(gòu)仿腦到功能仿腦。數(shù)字孿生腦，這個(gè)充滿(mǎn)無(wú)限可能的概念，作為人腦“備份”或是克隆體，讓我們能夠更深入地了解人類(lèi)大腦的運(yùn)作機(jī)制。

2023年底，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院發(fā)布了關(guān)于發(fā)展數(shù)字孿生的整本白皮書(shū)，其中關(guān)于數(shù)字孿生腦的研究?jī)?nèi)容就占了1/3，提出了從人腦實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合方式來(lái)驗(yàn)證和研究大腦智能的機(jī)理。歐盟也在人腦計(jì)劃結(jié)束之后啟動(dòng)了EBRAIN，并于2024年開(kāi)始了一千萬(wàn)歐元資助的虛擬腦孿生的項(xiàng)目。

近期，復(fù)旦大學(xué)類(lèi)腦智能科學(xué)與技術(shù)研究院馮建峰團(tuán)隊(duì)發(fā)布了數(shù)字孿生腦（DigitalTwinBrain：DTB）平臺(tái)，這是國(guó)際上首個(gè)基于數(shù)據(jù)同化方法開(kāi)發(fā)的具備860億神經(jīng)元規(guī)模、百萬(wàn)億突觸的全人腦尺度大腦模擬平臺(tái)。數(shù)字腦在50億神經(jīng)元規(guī)模（相當(dāng)于獼猴大腦神經(jīng)元規(guī)模）的大模型上，會(huì)逐漸展現(xiàn)出類(lèi)似在人腦中觀測(cè)到的臨界現(xiàn)象與相似的認(rèn)知功能。目前，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成了860億神經(jīng)元、總突觸47.8萬(wàn)億的全腦模型的形態(tài)模擬計(jì)算。該數(shù)字孿生腦平臺(tái)可用于進(jìn)行數(shù)字實(shí)驗(yàn)，探索和驗(yàn)證神經(jīng)科學(xué)理論、大腦智能機(jī)理，推動(dòng)人工智能取得更大的突破。

解鎖生命時(shí)鐘，西南大學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)壽密碼OSER1

科學(xué)家一直在尋找讓人類(lèi)延年益壽的方法，西南大學(xué)研究人員最近發(fā)現(xiàn)了一個(gè)神奇的基因?qū)⒂兄诮议_(kāi)這個(gè)謎底。該校資源昆蟲(chóng)高效養(yǎng)殖與利用全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室代方銀團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)外專(zhuān)家研究發(fā)現(xiàn)調(diào)控壽命的新基因OSER1，并在家蠶、線(xiàn)蟲(chóng)、果蠅等多物種中研究揭示了其作用機(jī)制。OSER1作為長(zhǎng)壽基因FOXO（叉頭框蛋白O）的靶基因，其對(duì)壽命的影響也得到人類(lèi)受試者研究結(jié)果的支持。

叉頭框蛋白O是已知的人類(lèi)長(zhǎng)壽基因之一，通過(guò)調(diào)節(jié)與衰老相關(guān)的途徑影響壽命，但其靶點(diǎn)尚不清楚。研究顯示，叉頭框蛋白O在不同模式動(dòng)物間的二級(jí)結(jié)構(gòu)具有較高保守性，為利用家蠶等篩選壽命調(diào)控靶基因提供了依據(jù)。

研究團(tuán)隊(duì)利用線(xiàn)蟲(chóng)高效干涉平臺(tái)，對(duì)家蠶中叉頭框蛋白O的42個(gè)潛在直接靶基因在線(xiàn)蟲(chóng)中的直系同源基因進(jìn)行干涉實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)OSER1基因表達(dá)降低后，線(xiàn)蟲(chóng)壽命顯著縮短。進(jìn)一步研究顯示，在家蠶、線(xiàn)蟲(chóng)和果蠅中，提高OSER1表達(dá)后，3個(gè)物種的壽命均顯著延長(zhǎng)。分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，OSER1是叉頭框蛋白O的直接靶基因，能夠響應(yīng)過(guò)氧化氫誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激，并通過(guò)提升機(jī)體氧化應(yīng)激防御力發(fā)揮延長(zhǎng)壽命的作用。

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，90歲以上的長(zhǎng)壽老人與年輕對(duì)照組相比，檢測(cè)到OSER1基因中存在49個(gè)常見(jiàn)單核苷酸變異，其中7個(gè)與長(zhǎng)壽顯著相關(guān)。

這項(xiàng)研究不僅為理解壽命調(diào)控提供了新的視角，也為開(kāi)發(fā)新型抗衰老藥物提供了新的靶點(diǎn)。

CRISPR-CasVII型系統(tǒng)“基因剪刀”新功能解鎖

CRISPR-Cas是原核生物（如細(xì)菌和古菌）的一種獲得性免疫系統(tǒng)，用于抵抗噬菌體或質(zhì)粒等外源遺傳元件的入侵。根據(jù)Cas效應(yīng)蛋白的不同，CRISPR-Cas系統(tǒng)被分為兩大類(lèi)共七型：第1類(lèi)系統(tǒng)包括I型、III型、IV型和VII型，由多個(gè)效應(yīng)蛋白與向?qū)NA組成復(fù)合體行使功能；第2類(lèi)系統(tǒng)包括Ⅱ型、V型和VI型，由單個(gè)效應(yīng)蛋白與向?qū)NA形成復(fù)合體。其中，Cas9、Cas12和Cas13分別是Ⅱ型、V型和VI型系統(tǒng)的代表性效應(yīng)蛋白，被廣泛用作DNA和RNA編輯工具。目前，I至VI型的功能和機(jī)制研究比較深入，而近期發(fā)現(xiàn)的VII型生物學(xué)功能和分子機(jī)理尚不清楚。

近日，中國(guó)科學(xué)院武漢病毒研究所鄧增欽團(tuán)隊(duì)與天津醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院張恒團(tuán)隊(duì)合作，該工作首次表征了VII型CRISPR-Cas系統(tǒng)的功能，研究證實(shí)了VII型CRISPR-Cas系統(tǒng)能夠特異性識(shí)別細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄本并靶向敲低基因表達(dá)，并能夠幫助宿主菌抵抗噬菌體的感染，是具有適應(yīng)性免疫功能的CRISPR系統(tǒng)。他們闡明了這一系統(tǒng)獨(dú)特的組裝機(jī)制、底物RNA識(shí)別和切割模式，為基于VII型CRISPR-Cas系統(tǒng)的RNA操控工具的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

星系“生死攸關(guān)”的核心，拿捏了

星系是宇宙的基本單位，如銀河系，由恒星、氣體、塵埃及中心黑洞組成，內(nèi)部及周?chē)橘|(zhì)間復(fù)雜互動(dòng)影響星系演化。星系分恒星形成星系與被動(dòng)演化星系，研究其轉(zhuǎn)變機(jī)制是核心任務(wù)。位于星系中心的黑洞吸積物質(zhì)釋放能量對(duì)于星系演化，特別是從“生”到“死”的轉(zhuǎn)變起關(guān)鍵作用。盡管中心黑洞對(duì)星系演化的反饋?zhàn)饔靡殉蔀槔碚摴沧R(shí)，但觀測(cè)上黑洞對(duì)星系演化的確切影響仍缺乏確鑿證據(jù)。

對(duì)此，南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院王濤團(tuán)隊(duì)與合作者創(chuàng)新性地從探索近鄰星系的黑洞質(zhì)量與星系中原子氫氣體的含量之間的關(guān)系入手，首次揭示了星系中心黑洞的質(zhì)量是調(diào)制星系中原子氫氣體含量的最關(guān)鍵的物理量：中心黑洞質(zhì)量越高的星系其原子氫氣體含量越低。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)星系中心黑洞是否影響和如何影響星系中的冷氣體含量及恒星形成提供了重要的觀測(cè)證據(jù)，也對(duì)中心黑洞對(duì)宿主星系具體的反饋機(jī)制作出了重要限制。

活性湍流：微小生物如何與湍流相互作用，形成一個(gè)新世界？

湍流是一種流體運(yùn)動(dòng)形態(tài)，其特點(diǎn)是流速、壓力和溫度等物理量在空間和時(shí)間上具有隨機(jī)性和不可預(yù)測(cè)性。在自然界和工程應(yīng)用中，湍流無(wú)處不在。而活性湍流作為一種全新的湍流形態(tài)逐漸進(jìn)入到科學(xué)家的視野中。活性湍流由能夠自主運(yùn)動(dòng)的微小生物或顆粒組成，如分子馬達(dá)、細(xì)菌、上皮細(xì)胞和自驅(qū)動(dòng)膠體粒子等。與傳統(tǒng)流體不同，活性流體由于組成單元的活力、動(dòng)力構(gòu)型、幾何性質(zhì)、相互作用不同，往往具有迥異的性質(zhì)。活性湍流可以出現(xiàn)在低雷諾數(shù)流體——這一傳統(tǒng)上不能形成湍流的環(huán)境下；因此，它們展現(xiàn)出與傳統(tǒng)湍流截然不同的屬性：自下而上的自組織行為和能量從個(gè)體注入的方式。對(duì)于傳統(tǒng)湍流而言，其所處維度是其最本質(zhì)的屬性之一，決定了它的動(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)行為。那么對(duì)應(yīng)地，活性湍流對(duì)維度依賴(lài)性如何呢？

最近，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心彭毅團(tuán)隊(duì)和中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所孟凡龍團(tuán)隊(duì)合作，回答了上述問(wèn)題。他們通過(guò)開(kāi)發(fā)高通量的實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)限域尺度的精確調(diào)控，還在同一塊樣品的不同成像平面內(nèi)獲得了高質(zhì)量的流場(chǎng)測(cè)量。

通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)的緊密結(jié)合，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，活性湍流從二維到三維的轉(zhuǎn)變是由個(gè)體大小、集群尺寸、限域尺度三者之間的競(jìng)爭(zhēng)共同決定的。在這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，存在兩個(gè)臨界尺度。該研究通過(guò)設(shè)計(jì)、優(yōu)化統(tǒng)計(jì)量，同時(shí)在實(shí)空間、波數(shù)空間這對(duì)共軛空間中，確認(rèn)了這些臨界尺度。其工作詳細(xì)描繪了二維和三維活性湍流的特征，并通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)捷有效的流體力學(xué)理論框架，為活性湍流的維度相變提供了一個(gè)通用性的解釋。

如何應(yīng)對(duì)“三高”后的“第四高”

近年來(lái)，高尿酸血癥患者呈明顯上升和年輕化的趨勢(shì)，我國(guó)高尿酸血癥的總體患病率為13.3%，非同日２次空腹血尿酸水平超過(guò)420μmol/Ｌ即可診斷為高尿酸血癥，可能會(huì)導(dǎo)致痛風(fēng)、尿酸腎病等疾病，還易引起包括高血壓等并發(fā)癥。預(yù)計(jì)全球高尿酸血癥及痛風(fēng)患病人數(shù)將在2030年達(dá)到14.2億人，痛風(fēng)和高尿酸血癥或?qū)⒊蔀槔^“三高”（高血脂、高血壓、高血糖）之后的“第四高”。

面對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)，北京理工大學(xué)生命學(xué)院/前沿交叉科學(xué)研究院黃淵余課題組探索出一種創(chuàng)新的“返祖”或“反進(jìn)化”治療策略。他們利用mRNA技術(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)并制備高效遞送尿酸酶（Uox）的脂質(zhì)納米顆粒體系（mUox@iLAND），成功在動(dòng)物模型中逆轉(zhuǎn)了因進(jìn)化過(guò)程中尿酸酶基因失活導(dǎo)致的高尿酸血癥。這項(xiàng)研究不僅為高尿酸血癥治療開(kāi)辟了新路徑，還展示了在降低血尿酸濃度方面的療效和安全性。

據(jù)稱(chēng)，mUox@iLAND經(jīng)單次靜脈注射后，可主動(dòng)靶向到肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞并重新表達(dá)尿酸酶，尿酸酶可將動(dòng)物體內(nèi)微溶于水的尿酸進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為易溶于水的尿囊素，從而有效降低血尿酸水平且維持在與健康動(dòng)物相當(dāng)?shù)乃剑瑢?shí)現(xiàn)高效安全的治療。

通用伊辛機(jī)芯片問(wèn)世，大幅提升組合優(yōu)化問(wèn)題求解速度

伊辛機(jī)是一種用于求解組合優(yōu)化問(wèn)題的退火處理器。它通過(guò)在芯片中模擬伊辛圖所代表的物理模型演化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)組合優(yōu)化問(wèn)題的求解。伊辛機(jī)芯片在求解最大割、圖著色、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）等領(lǐng)域的組合優(yōu)化問(wèn)題中有很大潛力。這些問(wèn)題的解決對(duì)于提高生產(chǎn)效率、降低能耗等具有重要意義。

北京大學(xué)深圳研究生院信息工程學(xué)院/廣東省存算一體芯片重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊玉超課題組與北方集成電路技術(shù)創(chuàng)新中心（北京）有限公司合作開(kāi)發(fā)了40nm制程嵌入式憶阻器工藝，并設(shè)計(jì)研發(fā)了基于該工藝的憶阻器芯片。他們首次提出了一種基于存內(nèi)計(jì)算、以連接為中心的通用伊辛機(jī)。具體來(lái)說(shuō)是使用粗粒度稀疏矩陣行壓縮方法壓縮伊辛圖的鄰接矩陣，使其能夠更高效地部署于憶阻器存內(nèi)計(jì)算核心中。該技術(shù)在映射伊辛圖時(shí)以節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系為中心進(jìn)行存儲(chǔ)，解決了原有伊辛機(jī)只能支持特定圖結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，利用該芯片的伊辛機(jī)在最大割問(wèn)題求解中相比于GPU可以達(dá)到4.56—7.32倍加速，他們?cè)趫D著色問(wèn)題求解中達(dá)到442—1450倍加速，在能效方面相比通用GPU可以實(shí)現(xiàn)4.1105—6.0105倍提升。

復(fù)制叉關(guān)鍵蛋白如何重塑表觀遺傳繼承

表觀遺傳信息的繼承是細(xì)胞增殖與分化的基石，對(duì)理解正常生理、病理過(guò)程（如發(fā)育、衰老、腫瘤、早衰等）至關(guān)重要。復(fù)制叉（ReplicationFork）是DNA復(fù)制過(guò)程中在DNA鏈上形成的一種特殊結(jié)構(gòu)。當(dāng)DNA進(jìn)行復(fù)制時(shí)，解旋酶會(huì)作用于親代DNA，使其雙螺旋結(jié)構(gòu)解開(kāi)，形成兩條單鏈。這兩條單鏈隨后作為模板，引導(dǎo)新的DNA鏈的合成。在這個(gè)過(guò)程中，剛分開(kāi)的模板鏈與未復(fù)制的雙鏈DNA之間的連接區(qū)，就形成了復(fù)制叉這一Y字形的結(jié)構(gòu)。

北京大學(xué)李晴研究組和哈佛醫(yī)學(xué)院、霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究院DaneshMoazed研究組合作，通過(guò)遺傳篩選、生化、分子生物學(xué)和生物物理學(xué)等方法，結(jié)合AlphaFold-Multimer結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)等手段發(fā)現(xiàn)DNA復(fù)制體中復(fù)制叉保護(hù)復(fù)合物亞基Mrc1/CLASPIN（以及Tof1和Csm3）存在一段在真核生物中保守的組蛋白H3-H4四聚體結(jié)合區(qū)域。

李晴研究組的一系列研究給出了復(fù)制叉上的關(guān)鍵蛋白在親本組蛋白回收中的作用機(jī)制，改變了該領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)親本組蛋白回收過(guò)程的碎片化認(rèn)知。這些研究不僅深化了對(duì)復(fù)制叉保護(hù)復(fù)合物功能的認(rèn)識(shí)，還構(gòu)建了親本組蛋白在DNA復(fù)制過(guò)程中解離、傳遞與重組的全面框架，為理解表觀遺傳信息的精確繼承提供了新視角。