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RESEARCH HIGHLIGHTS in this week
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In Science JournalsHighlights from the Science family of journals.
以下是选自《科学》系列期刊的本周亮点研究。
NEUROSCIENCE（神经科学）
Wiring principles in the human cortex（人类皮层的连接原理）：该研究探讨了人类大脑皮层中神经元的特性和连接方式，以及与认知功能支持相关的机制。通过分析人类大脑皮层的多神经元贴片钳记录，研究发现与啮齿类动物不同，人类皮层的连接方式具有异质性，并呈现出有向和大多无环图拓扑结构。这些发现揭示了人类皮层连接的原则，对神经网络模型的维度增加和功能任务的改进具有重要意义，表明这些连接性质有助于人类高阶计算。Science（2024）（10.1126/science.adg8828） NANOMATERIALS（纳米材料）
Identifying the key to better capacitance（发现提高电容性的关键）：该研究探讨了提高电化学双层电容器（也称为超级电容器）性能的关键因素。通过评估商业纳米多孔碳材料，研究发现孔径大小与电容性能之间并不存在相关性。相反，他们的模拟和核磁共振光谱测量数据表明，混乱程度是决定存储容量的关键因素，因为较小的类石墨烯结构域可以更有效地在纳米孔内存储离子。这项工作提出了改进这些材料以制造更高能量密度超级电容器的方法。Science（2024）（10.1126/science.adn6242） DIELECTRICS（电介质）
Helpful heterostructures（有益的异质结构）：该研究旨在提高电容器操作过程中的能量效率。研究人员设计了一种介电异质结构，将钛酸钡夹在二维材料之间。在交变电场下，材料界面处的电荷堆积会改变异质结构的弛豫时间。通过选择合适的材料，这种结构可以大幅减少能量损失。作者使用双层二硫化钼和钛酸钡制备了一种具有高能量密度和低损耗的结构。这一通用策略对改进其他电介质材料具有指导意义。Science（2024）（10.1126/science.adl2835） ASTEROIDS（小行星）
Dating the giant planet migration（确定巨行星迁移的时间）：该研究探讨了太阳系中巨行星的迁移时机。研究人员通过热模型和轨道动力学模拟，研究了与低铁端辉石（EL）球粒陨石相关的Athor小行星族。他们发现，EL球粒陨石和Athor家族之间的联系只能由巨行星迁移产生，这为其迁移时间设定了不少于6千万年的下限。Science（2024）（10.1126/science.adg8092） MAGNETISM（磁性）
Fast skyrmions（快速斯克米翁子）：这篇文章介绍了磁性斯克米翁子，一种具有拓扑保护的自旋结构，在自旋电子学器件中作为信息载体具有潜力。研究人员通过使用反铁磁材料来避免典型的铁磁材料中存在的斯克米翁子霍尔效应等现象限制斯克米翁子的速度。他们观察了由两个铂/钴层通过一层铑相互耦合构成的合成反铁磁材料中斯克米翁子的运动，并测量了沿电流方向高达900米/秒的斯克米翁子速度。这项工作有助于理解和利用斯克米翁子在自旋电子学中的潜在应用。Science（2024）（10.1126/science.add5751） EDGE COMPUTING（边缘计算）
Fusing digital and memristive processing（融合数字和电阻存储处理）：这篇文章介绍了边缘计算的研究，该计算允许智能设备的数据在发送到中心位置之前进行高效处理。研究人员开发了一种人工智能计算内存（CIM）处理器，将数字和电阻存储处理的优势结合起来，通过CIM融合方案和自适应本地训练实现了高速、高能效和高准确性。这项工作有助于改进边缘计算系统的性能，提高其在智能设备和物联网应用中的应用效果。Science（2024）（10.1126/science.adf5538） NEUROSCIENCE（神经科学）
Fractionating cocaine addiction（分离可卡因成瘾）：该研究探讨了可卡因使用、成瘾和复发治疗中的挑战。研究人员通过对小鼠大脑中受到可卡因影响的核团进行亚细胞蛋白质组学分析，探索了长期可卡因使用、戒断和再使用期间的蛋白质空间时间景观。研究结果表明，血浆膜相关蛋白质和戒断期间的细胞核蛋白质穿梭参与了可卡因成瘾过程，为开发治疗策略提供了见解。这项研究有助于深入了解可卡因成瘾的分子机制，并为相关药物治疗提供新的靶点和策略。Sci. Signal.（2024）（10.1126/scisignal.adl4738） PREGNANCY（妊娠）
Placental senescence weighs on the heart（胎盘衰老影响心脏）：该研究发现与妊娠高血压病相关的一种心脏衰竭形式，称为围产期心肌病，与胎盘衰老有关。研究人员发现，围产期心肌病或妊娠高血压患者的胎盘在基因表达和组织特征上都表现出衰老的迹象，这与衰老和细胞压力相关。在围产期心肌病的小鼠模型中，胎盘也表现出衰老表型。在妊娠中后期使用抗衰老化合物或针对衰老蛋白的单克隆抗体治疗这些小鼠，可以减少胎盘衰老并改善心脏功能。这些发现暗示了通过减少胎盘细胞衰老来治疗妊娠心血管疾病的可能性。Sci. Transl. Med.（2024）（10.1126/scitranslmed.adi0077） PLANT SCIENCE（植物科学）
A communication network belowground（地下的通讯网络）：植物通过地下根系分泌物与邻近植物进行直接交流，或通过真菌网络和可能的细菌进行通讯。作者讨论了地下植物通讯的类型和效应，如激活多样的植物防御和抑制竞争性植物生长。更好地理解这些网络和介导通讯的分子可能会导致改进的作物保护方法，并阐明群落结构，从而改善生态系统管理。Science（2024）（10.1126/science.adk1412） PROTEIN DESIGN（蛋白质设计）
All-atom approach（全原子方法）：Krishna等人提出了一种新一代蛋白质结构预测和设计工具，RoseTTAFold All-Atom，可以接受广泛的配体和共价氨基酸修饰。他们展示了该工具在蛋白质-配体结构预测方面相对于其他工具的优越性能，即使在没有输入实验结构的情况下也是如此。他们还进行了蛋白质的新生设计，以结合辅因子和小分子，并对这些设计进行了实验验证。Science（2024）（10.1126/science.adl2528） MICROBIOLOGY（微生物学）
Nested interactions in cholera（霍乱中的嵌套相互作用）：Madi等人研究了人类感染中病原体、寄生物之间的动态以及对抗生素药物的暴露等因素是如何相互作用的。他们在孟加拉国医院接受腹泻感染治疗的患者入院时获取了粪便样本，主要是霍乱。作者调查了霍乱霍乱弧菌感染结果、噬菌体发生率、抗生素抗性、移动元件的发生、超突变以及噬菌体与细菌抗噬菌体防御之间的进化竞争。未来需要进行纵向研究以确认噬菌体在霍乱病毒弧菌感染期间施加的进化压力的重要性。Science（2024）（10.1126/science.adj3166） MOSQUITO MICROBIOTA（蚊子微生物群）
Interrupting flavivirus transmission（中断黄病毒传播）：Zhang等人在伊蚊的微生物群中寻找控制登革热和寨卡病毒传播的潜在因子。他们分离出一种名为Rosenbergiella_YN46的细菌，并将其喂给笼养的蚊子以建立稳定的肠道感染，发现它能够防止昆虫感染病毒并阻止病毒传播至小鼠。Science（2024）（10.1126/science.adn9524） NEUROSCIENCE（神经科学）
Eating and drinking versus drug-taking（进食和饮水与吸毒）：研究了药物滥用对正常处理自然奖励的先天脑功能的影响，以及连接这些功能的生理和分子机制。通过比较饥饿和口渴激活的关键奖励回路与吗啡和可卡因在同一动物中引发的反应，发现了蛋白质RHEB（富集于大脑的Ras同源物）的关键作用。这一发现揭示了药物如何利用这一分子底物进入处理自然奖励的神经元中。这一分子机制涉及到了一种称为核心纹状体的脑区的可区分神经元群。这些神经元群是这些药物成瘾效应的核心所在，药物滥用与饥饿和口渴的体内稳态调节之间的冲突在这里发生。Science（2024）（10.1126/science.adk6742） 2D MATERIALS（二维材料）
Finding the right small angle（找到正确的小角度）：探讨了不同二维材料（如石墨烯和过渡金属二硫化物）的层状叠加和扭转如何产生强相关态。在扭转结构中，电子相关性通常对于较小的扭转角度最高，对于某些材料来说可能很具挑战性。作者制备了约1.23°扭转角度的硒化钨双层，并观察到一系列量子反常霍尔绝缘态，表明存在多个带有非平凡拓扑的Moiré带。这一平台将进一步探索强相关性与拓扑之间的相互作用。Science（2024）（10.1126/science.adi4728） GEOPHYSICS（地球物理学）
China’s sinking cities（中国下沉的城市）：利用卫星雷达观测可以追踪地面变形。多年来，雷达可以捕捉到每年毫米级别的相对较小的变化。Ao等人利用卫星观测确定了中国82个主要城市的陆地沉降程度。他们发现约40%的土地正在经历中度至严重的沉降，这增加了大量人口的洪水风险。Science（2024）（10.1126/science.adl4366） QUANTUM SIMULATION（量子模拟）
Reflecting off the edge（从边缘反射）：在量子霍尔系统中，体积电流可以通过系统边界通过无能隙边缘电流反射。尽管在电子材料中研究这一现象很棘手，但在“人工”量子霍尔系统中更容易实现。研究人员利用超冷钾-40原子构建了一个具有一个真实维度和一个合成维度的量子霍尔系统的等效物。这些原子被“泵送”向系统边缘，在拓扑边界的位置反转方向。研究人员发现，在斥力原子相互作用存在的情况下，存在额外的部分反转。Science（2024）（10.1126/science.adg3848） NEUROENDOCRINE CELLS（神经内分泌细胞）
Guardians of the pipe（管道的守护者）：该研究对空气道中的神经内分泌细胞进行了深入的分子、生物物理和形态学表征，揭示了它们在保护空气道方面的重要作用。这些细胞通过触发吞咽和咳嗽样行为来应对潜在的有害刺激，为理解空气道的生理调节和防御机制提供了宝贵的资源。Science（2024）（10.1126/science.adh5483） MEMBRANES（膜）
Stabilizing polyesters for water filtration（稳定聚酯用于水过滤）：该研究展示了一种聚酯膜，通过3,5-二羟基-4-甲基苯甲酸与三羧酰氯的聚合反应，在酸性或碱性条件下（高达pH 9）具有出色的抗水解降解性能，并且完全抗氯。这种膜的开发具有改善水处理和过滤技术的潜力，可以应对水处理过程中的氧化剂等有害物质，提高水资源的利用效率。Science（2024）（10.1126/science.adk0632） SPACE ROBOTS（空间机器人）
Grasping robot for cave exploration（洞穴探索的抓取机器人）：该研究报道了一种名为ReachBot的机器人，受到蜘蛛的启发，具有小巧的机身和长可伸缩的臂膀，配备有能够抓取岩石地形的夹具。通过使用机载传感器和接触前运动规划器，该机器人能够扫描并识别可抓取的凸起特征。在美国莫哈维沙漠的火山岩洞中进行的实地测试证实，ReachBot能够识别和抓取多个地点，展示了其作为火星探索器的潜力。Sci. Robot（2024）（10.1126/scirobotics.adi9762） DENDRITIC CELLS（树突状细胞）
Genome-wide screen of dendritic cells（树突状细胞的全基因组筛查）：这篇文章介绍了对树突状细胞（DCs）进行的全基因组筛查。研究人员使用CRISPR-Cas9筛查技术，发现了小鼠Flt3配体（Flt3L）驱动的DC分化的关键调节因子，其中包括一种精氨酸甲基转移酶、两种哺乳动物雷帕霉素靶蛋白的负调节因子以及转录抑制因子Trim33。Trim33缺陷的小鼠表现出几乎完全丧失多个DC亚群的特征，对单核细胞或粒细胞的影响较小。在DC分化过程中，Trim33抑制了与I型干扰素以及其他髓样细胞系相关的基因的表达。这些发现确定了Trim33作为Flt3L驱动的DC分化途径的关键转录调节因子。Sci. Immunol.（2024）（10.1126/sciimmunol.adi1023） HOST DEFENSE（宿主防御）
Evaluating interferon-γ in immunity（评估干扰素-γ在免疫中的作用）：这篇文章评估了干扰素-γ（IFN-γ）在免疫中的作用。IFN-γ是一种在感染时由免疫系统中的多种细胞合成并释放的小蛋白质，可提供对细菌、寄生虫和真菌的防御。作者回顾了IFN-γ研究的进展以及由IFN-γ缺乏引起的疾病条件的研究如何共同改善了对宿主保护和IFN-γ提供的特定贡献的理解。此外，作者评估了将IFN-γ作为治疗传染病的前景。这些评估有助于指导IFN-γ作为潜在治疗药物的开发，并加深对其在宿主防御中作用机制的认识。Science（2024）（10.1126/science.adl2016）
In Other JournalsEditors’ selections from the current scientific literature outside the Science family of journals.以下是从《科学》系列期刊之外的近期科学文献中挑选的亮点研究，不论其刊物影响因子有多少，既然能被《科学》的Editors选中，肯定有其独特之处。
CLIMATE（气候）
Teeth record climate：文章通过研究猩猩的牙齿，利用其中氧同位素比率反映饮水可用性，揭示了印度尼西亚苏门答腊岛曾经的气候状况。该研究不仅为我们了解过去的气候和猩猩生态提供了窗口，还可以用于推断过去人类在该地区的分布。eLife（2024）（DOI：10.7554/eLife.90217）。 ANCIENT DNA（古DNA）
Neighbors but not marriable：通过对法国南部布列塔尼地区约7000至8000年前的10个狩猎采集者的基因组进行测序，揭示了这一人群的社会动态。研究发现，被埋葬在一起的个体很少有亲缘关系，女性个体可能来自具有不同生存策略的其他地区，并且没有新石器时代农民的祖先证据。这些狩猎采集者可能避免了近亲交配，但这种做法局限于狩猎采集者群体，而不涉及附近的农民社区。PNAS（2024）（DOI：10.1073/pnas.2310545121）。 REGULATION INNOVATION（监管创新）
Faster to market but no less safe：美国食品药品监督管理局的一个项目将高价值疗法的临床开发时间缩短了24%，但并没有影响药物的安全性。研究表明，这个快速的过程可能对药物开发者每种药物价值超过500万美元。研究发现，与非BTD药物相比，BTD药物的临床试验规模并不小，但BTD试验不太可能是随机的和双盲的。在获得监管批准后，BTD药物与非BTD药物相比，每患者的不良事件并不更多。REST（2024）（DOI：10.1162/rest_a_01434）。 MUCOSAL IMMUNITY（粘膜免疫）
Mouth-to-microbiome cross-talk：研究发现，口腔黏膜组织中的上皮细胞对保护性免疫起着贡献作用，但它们的固有免疫感知功能也可能导致疾病。通过分析人类口腔黏膜组织的细胞，研究发现，白细胞介素-23（IL-23）的升高与牙周炎有关，而牙周炎是由疾病和遗传免疫缺陷引起的。在牙周炎的小鼠模型中，口腔上皮细胞产生的IL-23诱导了病理性免疫反应。牙周炎病原微生物特别是具有鞭毛的物种，可以激活固有免疫受体TLR5。该研究揭示了口腔和微生物群之间的相互作用，对于理解口腔疾病的发病机制具有重要意义。IMMUNITY（2024）（DOI：10.1016/j.immuni.2024.02.020）。 BEHAVIOR（行为）
Unrattled by stress（不受压力影响）：这篇文章描述了研究人员对南太平洋响尾蛇的社会行为进行的研究。他们发现，响尾蛇在同性伴侣的陪伴下心脏反应减少，表现出所谓的“社会缓冲”效应，即在同伴存在的情况下，对压力的生理反应减弱。这项研究揭示了响尾蛇这种被普遍认为是孤独的动物可能比我们想象的更具有社会性。这对于了解响尾蛇的社会生态行为有重要意义。Front. Ethol.（2023）（DOI：10.3389/fetho.2023.1181774）。 MACHINE LEARNING（机器学习）
Predicting surface properties（预测表面性质）：该文章介绍了一项利用机器学习预测材料表面性质的研究。作者采用人工神经网络（ANN）构建了一个回归模型，使用平滑的原子位置重叠作为输入描述符，成功地预测了非金属氧化物的能带对齐情况。他们通过一个非自洽介电相关混合泛函方法构建了大型训练数据集，用于氧化物表面的电离势和电子亲和势。这项研究为高通量材料筛选提供了一种有效的方法，对于加速新材料发现具有重要意义。J. Am. Chem. Soc.（2024）（DOI：10.1021/jacs.3c13574）。 NANOMATERIALS（纳米材料）
Solvation-shifted band edges（溶剂引起的带边移动）：该研究探讨了胶体半导体的带边能量如何受到其保护性配体壳和分散溶剂的影响。研究人员使用光谱电化学方法测定了胶体硫化铅和氧化锌薄膜的导带位置。他们发现，通过改变溶剂，带边位置可以变化近1电子伏特，但溶剂不会改变带隙能量。带边的移动是由于粒子表面的金属阳离子与溶剂之间的特定相互作用导致的，与溶剂的路易斯碱性（给体数）相关。这项研究有助于我们更好地理解纳米材料在不同环境中的性质变化，为其应用于光电领域提供了重要信息。J. Am. Chem. Soc.（2024）（DOI：10.1021/jacs.4c00402）。
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