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全腦規(guī)模數(shù)字孿生腦平臺發(fā)布，距離“最強大腦”還遠嗎？

數(shù)字孿生腦是利用和借鑒數(shù)字孿生技術(shù)，通過逆向工程技術(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，實現(xiàn)從結(jié)構(gòu)仿腦到功能仿腦。數(shù)字孿生腦，這個充滿無限可能的概念，作為人腦“備份”或是克隆體，讓我們能夠更深入地了解人類大腦的運作機制。

2023年底，美國國家科學院發(fā)布了關(guān)于發(fā)展數(shù)字孿生的整本白皮書，其中關(guān)于數(shù)字孿生腦的研究內(nèi)容就占了1/3，提出了從人腦實驗數(shù)據(jù)結(jié)合方式來驗證和研究大腦智能的機理。歐盟也在人腦計劃結(jié)束之后啟動了EBRAIN，并于2024年開始了一千萬歐元資助的虛擬腦孿生的項目。

近期，復旦大學類腦智能科學與技術(shù)研究院馮建峰團隊發(fā)布了數(shù)字孿生腦（DigitalTwinBrain：DTB）平臺，這是國際上首個基于數(shù)據(jù)同化方法開發(fā)的具備860億神經(jīng)元規(guī)模、百萬億突觸的全人腦尺度大腦模擬平臺。數(shù)字腦在50億神經(jīng)元規(guī)模（相當于獼猴大腦神經(jīng)元規(guī)模）的大模型上，會逐漸展現(xiàn)出類似在人腦中觀測到的臨界現(xiàn)象與相似的認知功能。目前，團隊已經(jīng)完成了860億神經(jīng)元、總突觸47.8萬億的全腦模型的形態(tài)模擬計算。該數(shù)字孿生腦平臺可用于進行數(shù)字實驗，探索和驗證神經(jīng)科學理論、大腦智能機理，推動人工智能取得更大的突破。

解鎖生命時鐘，西南大學團隊發(fā)現(xiàn)長壽密碼OSER1

科學家一直在尋找讓人類延年益壽的方法，西南大學研究人員最近發(fā)現(xiàn)了一個神奇的基因?qū)⒂兄诮议_這個謎底。該校資源昆蟲高效養(yǎng)殖與利用全國重點實驗室代方銀團隊聯(lián)合國外專家研究發(fā)現(xiàn)調(diào)控壽命的新基因OSER1，并在家蠶、線蟲、果蠅等多物種中研究揭示了其作用機制。OSER1作為長壽基因FOXO（叉頭框蛋白O）的靶基因，其對壽命的影響也得到人類受試者研究結(jié)果的支持。

叉頭框蛋白O是已知的人類長壽基因之一，通過調(diào)節(jié)與衰老相關(guān)的途徑影響壽命，但其靶點尚不清楚。研究顯示，叉頭框蛋白O在不同模式動物間的二級結(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)。

研究團隊利用線蟲高效干涉平臺，對家蠶中叉頭框蛋白O的42個潛在直接靶基因在線蟲中的直系同源基因進行干涉實驗，發(fā)現(xiàn)OSER1基因表達降低后，線蟲壽命顯著縮短。進一步研究顯示，在家蠶、線蟲和果蠅中，提高OSER1表達后，3個物種的壽命均顯著延長。分子生物學實驗表明，OSER1是叉頭框蛋白O的直接靶基因，能夠響應(yīng)過氧化氫誘導的氧化應(yīng)激，并通過提升機體氧化應(yīng)激防御力發(fā)揮延長壽命的作用。

團隊進一步研究發(fā)現(xiàn)，90歲以上的長壽老人與年輕對照組相比，檢測到OSER1基因中存在49個常見單核苷酸變異，其中7個與長壽顯著相關(guān)。

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

CRISPR-CasVII型系統(tǒng)“基因剪刀”新功能解鎖

CRISPR-Cas是原核生物（如細菌和古菌）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)被分為兩大類共七型：第1類系統(tǒng)包括I型、III型、IV型和VII型，由多個效應(yīng)蛋白與向?qū)NA組成復合體行使功能；第2類系統(tǒng)包括Ⅱ型、V型和VI型，由單個效應(yīng)蛋白與向?qū)NA形成復合體。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型的功能和機制研究比較深入，而近期發(fā)現(xiàn)的VII型生物學功能和分子機理尚不清楚。

近日，中國科學院武漢病毒研究所鄧增欽團隊與天津醫(yī)科大學基礎(chǔ)醫(yī)學院張恒團隊合作，該工作首次表征了VII型CRISPR-Cas系統(tǒng)的功能，研究證實了VII型CRISPR-Cas系統(tǒng)能夠特異性識別細胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄本并靶向敲低基因表達，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)獨特的組裝機制、底物RNA識別和切割模式，為基于VII型CRISPR-Cas系統(tǒng)的RNA操控工具的設(shè)計與開發(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)部及周圍介質(zhì)間復雜互動影響星系演化。星系分恒星形成星系與被動演化星系，研究其轉(zhuǎn)變機制是核心任務(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。盡管中心黑洞對星系演化的反饋作用已成為理論共識，但觀測上黑洞對星系演化的確切影響仍缺乏確鑿證據(jù)。

對此，南京大學天文與空間科學學院王濤團隊與合作者創(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證據(jù)，也對中心黑洞對宿主星系具體的反饋機制作出了重要限制。

活性湍流：微小生物如何與湍流相互作用，形成一個新世界？

湍流是一種流體運動形態(tài)，其特點是流速、壓力和溫度等物理量在空間和時間上具有隨機性和不可預測性。在自然界和工程應(yīng)用中，湍流無處不在。而活性湍流作為一種全新的湍流形態(tài)逐漸進入到科學家的視野中?；钚酝牧饔赡軌蜃灾鬟\動的微小生物或顆粒組成，如分子馬達、細菌、上皮細胞和自驅(qū)動膠體粒子等。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體注入的方式。對于傳統(tǒng)湍流而言，其所處維度是其最本質(zhì)的屬性之一，決定了它的動力學和統(tǒng)計行為。那么對應(yīng)地，活性湍流對維度依賴性如何呢？

最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心彭毅團隊和中國科學院理論物理研究所孟凡龍團隊合作，回答了上述問題。他們通過開發(fā)高通量的實驗方案，實現(xiàn)了對限域尺度的精確調(diào)控，還在同一塊樣品的不同成像平面內(nèi)獲得了高質(zhì)量的流場測量。

通過理論與實驗的緊密結(jié)合，研究團隊發(fā)現(xiàn)，活性湍流從二維到三維的轉(zhuǎn)變是由個體大小、集群尺寸、限域尺度三者之間的競爭共同決定的。在這場競爭中，存在兩個臨界尺度。該研究通過設(shè)計、優(yōu)化統(tǒng)計量，同時在實空間、波數(shù)空間這對共軛空間中，確認了這些臨界尺度。其工作詳細描繪了二維和三維活性湍流的特征，并通過一個簡捷有效的流體力學理論框架，為活性湍流的維度相變提供了一個通用性的解釋。

如何應(yīng)對“三高”后的“第四高”

近年來，高尿酸血癥患者呈明顯上升和年輕化的趨勢，我國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420μmol/Ｌ即可診斷為高尿酸血癥，可能會導致痛風、尿酸腎病等疾病，還易引起包括高血壓等并發(fā)癥。預計全球高尿酸血癥及痛風患病人數(shù)將在2030年達到14.2億人，痛風和高尿酸血癥或?qū)⒊蔀槔^“三高”（高血脂、高血壓、高血糖）之后的“第四高”。

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

據(jù)稱，mUox@iLAND經(jīng)單次靜脈注射后，可主動靶向到肝實質(zhì)細胞并重新表達尿酸酶，尿酸酶可將動物體內(nèi)微溶于水的尿酸進一步轉(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物相當?shù)乃剑瑢崿F(xiàn)高效安全的治療。

通用伊辛機芯片問世，大幅提升組合優(yōu)化問題求解速度

伊辛機是一種用于求解組合優(yōu)化問題的退火處理器。它通過在芯片中模擬伊辛圖所代表的物理模型演化來實現(xiàn)對組合優(yōu)化問題的求解。伊辛機芯片在求解最大割、圖著色、電子設(shè)計自動化（EDA）等領(lǐng)域的組合優(yōu)化問題中有很大潛力。這些問題的解決對于提高生產(chǎn)效率、降低能耗等具有重要意義。

北京大學深圳研究生院信息工程學院/廣東省存算一體芯片重點實驗室楊玉超課題組與北方集成電路技術(shù)創(chuàng)新中心（北京）有限公司合作開發(fā)了40nm制程嵌入式憶阻器工藝，并設(shè)計研發(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)計算、以連接為中心的通用伊辛機。具體來說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)計算核心中。該技術(shù)在映射伊辛圖時以節(jié)點之間的連接關(guān)系為中心進行存儲，解決了原有伊辛機只能支持特定圖結(jié)構(gòu)的問題。

研究團隊發(fā)現(xiàn)，利用該芯片的伊辛機在最大割問題求解中相比于GPU可以達到4.56—7.32倍加速，他們在圖著色問題求解中達到442—1450倍加速，在能效方面相比通用GPU可以實現(xiàn)4.1105—6.0105倍提升。

復制叉關(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胞增殖與分化的基石，對理解正常生理、病理過程（如發(fā)育、衰老、腫瘤、早衰等）至關(guān)重要。復制叉（ReplicationFork）是DNA復制過程中在DNA鏈上形成的一種特殊結(jié)構(gòu)。當DNA進行復制時，解旋酶會作用于親代DNA，使其雙螺旋結(jié)構(gòu)解開，形成兩條單鏈。這兩條單鏈隨后作為模板，引導新的DNA鏈的合成。在這個過程中，剛分開的模板鏈與未復制的雙鏈DNA之間的連接區(qū)，就形成了復制叉這一Y字形的結(jié)構(gòu)。

北京大學李晴研究組和哈佛醫(yī)學院、霍華德休斯醫(yī)學研究院DaneshMoazed研究組合作，通過遺傳篩選、生化、分子生物學和生物物理學等方法，結(jié)合AlphaFold-Multimer結(jié)構(gòu)預測等手段發(fā)現(xiàn)DNA復制體中復制叉保護復合物亞基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制叉上的關(guān)鍵蛋白在親本組蛋白回收中的作用機制，改變了該領(lǐng)域長期以來對親本組蛋白回收過程的碎片化認知。這些研究不僅深化了對復制叉保護復合物功能的認識，還構(gòu)建了親本組蛋白在DNA復制過程中解離、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。