【儀表網(wǎng) 行業(yè)盤點】復(fù)旦大學(xué)科技工作者近期又取得了一系列矚目的成果與突破！
數(shù)學(xué)物理領(lǐng)域
1.物理學(xué)系/應(yīng)用表面物理全國重點實驗室資劍、石磊團(tuán)隊揭示磁光光子晶體能帶中奇異點的拓?fù)溲莼?/strong>
日前，物理學(xué)系/應(yīng)用表面物理全國重點實驗室資劍教授、石磊教授團(tuán)隊在拓?fù)涔庾訉W(xué)領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展，研究成果以“Magnetically Induced Topological Evolutions of Exceptional Points in Photonic Bands”為題發(fā)表在Physical Review Letters上。研究團(tuán)隊設(shè)計了一種磁光光子晶體平板結(jié)構(gòu)，通過施加垂直于晶體表面的磁場，實現(xiàn)能帶之間的耦合，引發(fā)光子能帶中的EPs發(fā)生連續(xù)演化。
本研究首次在磁光光子晶體中實現(xiàn)了對EPs的磁場調(diào)控，揭示了EPs在擴展參數(shù)空間中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與偏振性質(zhì)。這一發(fā)現(xiàn)不僅豐富了非厄米拓?fù)涔庾訉W(xué)的理論內(nèi)涵，也為該領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用開辟了新路徑。從科學(xué)意義角度，本工作證明了通過引入磁場這一額外的參數(shù)維度可以構(gòu)造更加復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，磁場調(diào)控EPs演化的機制為理解非厄米系統(tǒng)的拓?fù)湫再|(zhì)提供了重要的物理圖像。從應(yīng)用前景看，這種可調(diào)控的EP特性在磁光傳感器、非互易光學(xué)器件和集成光子學(xué)等領(lǐng)域具有重要價值，為開發(fā)新型光學(xué)器件提供了理論基礎(chǔ)。
圖 (a)左圖：二維光子晶體中線性色散的狄拉克點。中圖：在光子晶體平板中，狄拉克點演化為一對由費米弧連接的EPs。右圖：在外加磁場下，EPs在擴展參數(shù)空間中形成閉合環(huán)。(b)動量空間中EPs及偏振態(tài)隨磁場增強的演化。(c)不同磁場強度下EPs在龐加萊球上的演化軌跡。
2.物理學(xué)系徐長松團(tuán)隊與合作者揭示滑移鐵電體WTe?的極化翻轉(zhuǎn)特性取得進(jìn)展
8月5日，物理學(xué)系徐長松團(tuán)隊與南方科技大學(xué)王峻嶺教授課題組合作，在滑移鐵電體WTe?的極化研究中取得進(jìn)展。相關(guān)成果以“Sub-nanosecond polarization switching with anomalous kinetics in vdW ferroelectric WTe?”為題，發(fā)表于Nature Communications。通過理論分析，該研究計算了不同溫度下雙層WTe?的極化強度及其能壘變化。盡管 DFT 通?；陔A躍型費米–狄拉克分布來計算零溫效應(yīng)，有限溫度效應(yīng)仍可通過調(diào)整展寬來近似模擬，其中較大的展寬值對應(yīng)于更高的有效溫度。計算結(jié)果顯示，隨著溫度升高，WTe?的極化強度呈單調(diào)下降趨勢，而鐵電相與順電相之間的能壘則略有增加。相比之下，典型的絕緣型滑動鐵電體BN以及常規(guī)鐵電體PbTiO3在相同條件下均未表現(xiàn)出極化的降低。結(jié)合WTe?極化減弱與能壘升高的特征，理論分析揭示了溫度升高會使極化反轉(zhuǎn)更加困難的原因。本研究為深入理解滑移鐵電體的極化反轉(zhuǎn)機制提供了新視角，并為納米電子學(xué)與自旋電子學(xué)領(lǐng)域的潛在突破奠定了理論基礎(chǔ)。
圖 Td-WTe2的極化反轉(zhuǎn)動力學(xué)與Td- WTe2中反轉(zhuǎn)疇的形成及其溫度依賴的極化反轉(zhuǎn)特性
3.物理學(xué)系/應(yīng)用表面物理全國重點實驗室黃吉平教授團(tuán)隊與合作者提出熱擴散不變量，推動瞬態(tài)熱超構(gòu)材料設(shè)計取得進(jìn)展
8月6日，物理學(xué)系/應(yīng)用表面物理全國重點實驗室黃吉平課題組、中國工程物理研究院研究生院須留鈞課題組與新加坡國立大學(xué)仇成偉課題組合作，相關(guān)成果以“Heat Diffusion Invariant”為題發(fā)表于Physical Review Letters。該研究通過構(gòu)造熱擴散不變量揭示了瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)之間的深刻關(guān)聯(lián)。不變量可以對熱超構(gòu)材料的功能進(jìn)行分類，還能精確設(shè)計復(fù)雜形狀瞬態(tài)熱超構(gòu)材料的參數(shù)。拓?fù)洳蛔兞恳驯粡V泛用于電子、光子和聲子能帶結(jié)構(gòu)的幾何分類。然而，熱超構(gòu)材料領(lǐng)域一直缺乏功能分類的工具，難點有二。一方面，熱超構(gòu)材料的功能多樣，如隱身、聚集和旋轉(zhuǎn)。另一方面，熱超構(gòu)材料的設(shè)計方法多樣，即使功能相同，參數(shù)也可能截然不同。該工作提出的熱擴散不變量表明，無論隱身、聚集還是旋轉(zhuǎn)等不同功能的熱超構(gòu)材料，盡管結(jié)構(gòu)和參數(shù)迥異，但對應(yīng)的熱擴散不變量一致，從而構(gòu)建了一個熱超構(gòu)材料分類的理論框架。該工作揭示了瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)的內(nèi)在聯(lián)系，不僅建立了功能分類的理論框架，還開辟了設(shè)計復(fù)雜形狀瞬態(tài)熱超構(gòu)材料的新路徑。
圖 熱擴散不變量概念圖
4.現(xiàn)代物理研究所郭玉萍團(tuán)隊為探索強子內(nèi)部結(jié)構(gòu)及奇特粒子研究提供了關(guān)鍵新線索
8月11日，現(xiàn)代物理研究所郭玉萍團(tuán)隊與中國科學(xué)院高能物理研究所合作，通過分析質(zhì)心能量在4.01 GeV至4.95 GeV范圍內(nèi)的正負(fù)電子對撞數(shù)據(jù)，首次在e+e- → π+π-hc反應(yīng)過程中觀測到三個共振結(jié)構(gòu)，為探索強子內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了關(guān)鍵的新線索。研究以“Observation of Three Resonant Structures in the Cross Section of e+e- → π+π-hc”為題發(fā)表于物理評論快報。本研究精確測量了正負(fù)電子對撞產(chǎn)生一對π介子和一個hc粒子過程的產(chǎn)生截面，發(fā)現(xiàn)在4.3到4.45 GeV的能量區(qū)間截面大小保持在一個相對穩(wěn)定的水平，形成一個“平臺”，當(dāng)能量達(dá)到4.5 GeV時，截面急劇下降(圖)。描述這種獨特的截面變化需要使用三個相干疊加的共振態(tài)，其中第三個結(jié)構(gòu)是首次在這個反應(yīng)過程中被發(fā)現(xiàn)，統(tǒng)計顯著性超過5σ。
圖 e+e- → π+π-hcc過程產(chǎn)生截面
5.物理學(xué)系王熠華教授團(tuán)隊利用極低溫掃描超導(dǎo)量子干涉儀對超導(dǎo)體中的磁通渦旋條紋進(jìn)行了高精度成像研究
8月14日，物理學(xué)系王熠華課題組利用極低溫掃描超導(dǎo)量子干涉儀，對UTe2超導(dǎo)態(tài)中的磁通渦旋進(jìn)行了高精度成像研究。該工作以“Observation of vortex stripes in UTe2”為題在線發(fā)表于Nano Letters。該結(jié)果表明，UTe2中存在著源于多元序參量的、具有方向依賴性的多重特征長度尺度的非常規(guī)層級結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致渦旋間沿不同方向存在吸引與排斥相互作用的組合，從而驅(qū)動了渦旋條紋的形成。這一結(jié)果為UTe2具有多元序參量提供了有力證據(jù)，超越了傳統(tǒng)的一類/二類超導(dǎo)體的分類框架。
6. 未來信息創(chuàng)新學(xué)院周磊、馬少杰團(tuán)隊聯(lián)合香港大學(xué)張霜團(tuán)隊證明基于超構(gòu)材料等效媒質(zhì)系統(tǒng)中存在本征高階拓?fù)浣^緣體
8月15日，未來信息創(chuàng)新學(xué)院周磊院長、馬少杰青年研究員和香港大學(xué)物理系張霜教授合作，在拓?fù)湮飸B(tài)研究領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。
首次在理論和實驗層面證明：均勻電磁媒介中存在本征性的高階拓?fù)浣^緣體(HOTI)。相關(guān)研究成果以 “Intrinsic Topological Hinge States Induced by Boundary Gauge Fields in Photonic Metamaterials” 為題發(fā)表于eLight。本工作利用電磁超材料平臺中人工原子的本征特性，構(gòu)建了一類新型的高階拓?fù)浣^緣體，并在方形截面的均勻楊單極子超材料柱體中通過實驗驗證了拓?fù)淅鈶B(tài)的存在。本工作在理論和實驗層面均證實：在均勻楊單極子介質(zhì)柱中存在HOTI型棱態(tài)。這些棱態(tài)源自于合成高維物理空間中非平庸的二階陳數(shù)，其拓?fù)湫再|(zhì)確保了棱模式的存在。具體而言，非平庸的在拓?fù)渖媳ＷC了邊界上具有高維外爾弧結(jié)構(gòu)的非平庸邊界態(tài)，具有相反二階陳數(shù)的楊單極子或外爾面，在邊界上存在連接其投影的弧線，弧線上每一點均對應(yīng)于合成空間的拓?fù)渫鉅桙c。邊界弧線上的這種外爾點與柱狀結(jié)構(gòu)邊界法線方向變化所誘導(dǎo)的有效磁場發(fā)生相互作用，進(jìn)而產(chǎn)生局域的手征零能模，其場分布形式表現(xiàn)為局域的HOTI型棱模式。與傳統(tǒng)依賴于對稱性保護(hù)HOTI不同，該機制產(chǎn)生的是本征高階拓?fù)淠Ｊ?，其存在性不依賴于具體的材料組成、幾何構(gòu)型或系統(tǒng)對稱性，因而可在任意截面形狀的柱體和一系列均勻電磁材料中普適實現(xiàn)。
圖 高階拓?fù)浣^緣體的超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與表征。(a-c) 基于金屬螺旋單元構(gòu)建的等效楊單極子超材料結(jié)構(gòu)示意圖及其對應(yīng)的色散關(guān)系與場分布模擬結(jié)果；(d-f) 實驗樣品實物圖,近場掃描測得的色散關(guān)系及特征場分布
7.現(xiàn)代物理研究所張宏亮團(tuán)隊在“人造太陽”聚變堆關(guān)鍵材料研究中取得重要進(jìn)展
8月22日，現(xiàn)代物理研究所張宏亮團(tuán)隊在“人造太陽”——聚變能裝置的關(guān)鍵材料研究領(lǐng)域取得了重要突破。這項研究成果以“Critical Role of C/O Impurities in Suppressing Deuterium Diffusion and Supersaturated Layers in Tungsten”為題發(fā)表于Acta Materialia。該研究證明，看似微不足道的碳氧雜質(zhì)在材料近表面形成了一道“屏障”，極大地抑制了氘向材料深處遷移。研究團(tuán)隊利用兩種性能迥異的離子束系統(tǒng)——一個能產(chǎn)生含碳氧雜質(zhì)的離子束，另一個則通過磁過濾產(chǎn)生高純度的氘離子束——對鎢材料進(jìn)行了對比實驗。研究結(jié)果呈現(xiàn)出顯著差異：在含雜質(zhì)的環(huán)境下，氘僅能在鎢表層形成一個約27nm的狹窄富集層；而在高純度環(huán)境下，氘則能夠深入材料內(nèi)部，形成一個超過110nm的寬闊富集層。團(tuán)隊通過巧妙的“雜質(zhì)預(yù)注入”實驗，進(jìn)一步驗證了這一物理機制，從根本上澄清了關(guān)于DSSL形成機理的學(xué)術(shù)爭論，并為解釋不同實驗裝置中數(shù)據(jù)差異提供了重要依據(jù)。
地球科學(xué)領(lǐng)域
1.大氣與海洋科學(xué)系周文研究團(tuán)隊揭示氣候變化下熱帶氣旋群發(fā)事件的變化機制
日前，大氣與海洋科學(xué)系周文研究團(tuán)隊與香港大學(xué)、加州大學(xué)以及普林斯頓大學(xué)等國內(nèi)外研究團(tuán)隊合作，在熱帶氣旋群發(fā)事件建模與變化機制研究中取得重要進(jìn)展，成果以“Shifting hotspot of tropical cyclone clusters in a warming climate”為題發(fā)表于Nature Climate Change。熱帶氣旋群發(fā)事件是指同一洋盆中兩個或多個熱帶氣旋共存的現(xiàn)象。研究團(tuán)隊首先發(fā)展了一個考慮熱帶氣旋頻次、持續(xù)時間和季節(jié)循環(huán)等氣候?qū)W因子，由隨機概率過程驅(qū)動的熱帶氣旋群發(fā)事件模型?；谶@個框架，定量診斷了不同氣候?qū)W因子對熱帶氣旋發(fā)生和變化的影響。由于該模型沒有考慮動力過程的貢獻(xiàn)，因此會系統(tǒng)性地低估觀測和模式模擬中的熱帶氣旋群發(fā)頻次。團(tuán)隊通過“假設(shè)檢驗”的思想，系統(tǒng)性地分離出了動力關(guān)聯(lián)型熱帶氣旋群發(fā)事件。研究發(fā)現(xiàn)類拉尼娜型的全球增暖模態(tài)能夠通過調(diào)節(jié)熱帶氣旋頻次和天氣尺度波活動強度，使得熱帶氣旋群發(fā)事件的主要生成區(qū)從西北太平洋地區(qū)向北大西洋地區(qū)系統(tǒng)性轉(zhuǎn)移。
2.大氣科學(xué)研究院吳志偉教授團(tuán)隊對澳洲夏季風(fēng)異常對南極海冰變化的調(diào)制作用研究有新進(jìn)展
8月25日，大氣科學(xué)研究院吳志偉教授團(tuán)隊最新研究發(fā)現(xiàn)，南半球夏季12月至次年2月的澳洲夏季風(fēng)區(qū)降水異?？山忉屚谀洗笱筇窖髤^(qū)域阿蒙森海及羅斯海約10%的海冰密集度異常。成果以“Atmospheric influence of the Australian summer monsoon on Antarctic Sea ice variability over Pacific sector”發(fā)表于Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society?；谟^測和模式數(shù)據(jù)的結(jié)果表明，澳洲夏季風(fēng)降水的非絕熱加熱作用能夠觸發(fā)東南方向傳播的羅斯貝波列，引起南太平洋“+-+”三極子型的位勢高度異常，導(dǎo)致南大洋太平洋區(qū)域阿蒙森海與羅斯海上空正壓結(jié)構(gòu)的高壓異常。該高壓異常通過調(diào)制地表向下長波輻射及與風(fēng)驅(qū)海冰漂流相關(guān)的動力學(xué)過程，從熱力與動力學(xué)角度促進(jìn)了該區(qū)域南極海冰的衰減。該研究揭示了南半球夏季澳洲夏季風(fēng)降水對同期南極海冰異常的定量貢獻(xiàn)，清晰地闡述了這一過程的物理機制和調(diào)制方式，加深了對熱帶系統(tǒng)如何影響南極海冰變率的理解，有助于提升夏季南極海冰年際變變率的預(yù)測準(zhǔn)確性。
圖 澳洲夏季風(fēng)影響南極海冰變率的物理機制示意圖
3.環(huán)境科學(xué)與工程系李想教授團(tuán)隊為吸入暴露和人體吸收提供了新的見解
8月25日，環(huán)境科學(xué)與工程系李想教授團(tuán)隊結(jié)合肺泡梯度方法，創(chuàng)新性地提出了IRI這一指標(biāo)，用于表征外源VOCs在真實呼吸暴露下的實際吸收比例。相關(guān)成果以“Advanced Breathomics Reveals Human Absorption of Exogenous Volatile Organic Compounds”為題，發(fā)表于Environmental Science & Technology。結(jié)果顯示，共識別107種呼氣VOCs，其中33種表現(xiàn)為環(huán)境優(yōu)勢型，主要包括烷烴、芳香烴和醛類。外源VOCs的實際吸收率差異顯著，IRI范圍為27.05%~70.53%，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)健康風(fēng)險評估假設(shè)值。異丁烷、1-氯丁烷和十六烷表現(xiàn)出最高吸收率，而苯甲醛吸收率最低。這一發(fā)現(xiàn)首次用實證數(shù)據(jù)量化了多類VOCs在低劑量暴露情景下的真實吸收水平。通過引入IRI指數(shù)，研究揭示了分子量、職業(yè)類別和環(huán)境濃度等因素都會顯著影響吸收水平(p < 0.001)。在吸收機制和風(fēng)險評估方面，本研究進(jìn)一步整合了蒙特卡洛模擬與生理學(xué)基礎(chǔ)藥代動力學(xué)(PBPK)模型，定量分析呼吸吸收因子對健康風(fēng)險評估的影響。結(jié)果顯示，如果忽略IRI，人體實際內(nèi)暴露水平會被高估50-70%，而部分污染物的預(yù)測峰值濃度甚至被高估2.45倍。這一發(fā)現(xiàn)強調(diào)了將IRI納入風(fēng)險評估的必要性，為未來的空氣污染健康管理提供了更加精準(zhǔn)的科學(xué)依據(jù)。有效糾正了慢性低劑量暴露情景下的健康風(fēng)險評估偏差。
信息領(lǐng)域
1.未來信息創(chuàng)新學(xué)院褚君浩、李文武團(tuán)隊對高遷移率和高穩(wěn)定性錫基鈣鈦礦晶體管研究有新進(jìn)展
8月1日，未來信息創(chuàng)新學(xué)院褚君浩院士、李文武教授團(tuán)隊提出陰陽離子協(xié)同調(diào)控新策略，通過引入2-噻吩乙胺硫氰酸鹽(TEASCN)，實現(xiàn)對三維錫基鈣鈦礦結(jié)晶動力學(xué)與 Sn2+氧化行為的精準(zhǔn)調(diào)控。這項研究成果“Tailoring Tin-based Perovskite Crystallization via Large Cations and Pseudo-Halide Anions for High Mobility and High Stable Transistors”為題，發(fā)表于Science Advances上。該策略借助TEA+與SCN-的協(xié)同作用，既誘導(dǎo)形成定向生長模板以優(yōu)化結(jié)晶有序性，又通過配位作用抑制錫離子氧化，有效解決了材料固有缺陷與穩(wěn)定性問題，為突破三維錫基鈣鈦礦晶體管的性能瓶頸提供了新的解決思路。優(yōu)化后的器件平均遷移率達(dá) 60 cm2 V-1 s-1，且在氮氣環(huán)境中可維持穩(wěn)定性能長達(dá)30天，為高性能、高穩(wěn)定性鈣鈦礦TFTs的研發(fā)提供了重要技術(shù)路徑與理論支撐。
圖 TEASCN對錫基鈣鈦礦晶體管電學(xué)性能的調(diào)控作用
2.未來信息創(chuàng)新學(xué)院、光電研究院褚君浩、王建祿、陳艷課題組在基于雙邊蓋革模式雪崩的光電器件中取得進(jìn)展
8月23日，未來信息創(chuàng)新學(xué)院、光電研究院褚君浩、王建祿、陳艷研究團(tuán)隊設(shè)計并制造了一種基于非對稱肖特基結(jié)(Graphene/InSe/Cr)的APD，利用InSe的物理特性(如較大的載流子遷移率)和不同功函數(shù)的電極(Graphene和Cr)來實現(xiàn)高效的載流子注入和倍增(圖)。該項研究成果以“Bilateral Geiger mode avalanche in InSe Schottky photodiodes”為題，發(fā)表于Nature Communications上。實驗結(jié)果表明，該雪崩探測器在低擊穿電壓下實現(xiàn)了高增益，并且展現(xiàn)出雙邊蓋革模式雪崩現(xiàn)象。通過調(diào)整肖特基勢壘的高度和寬度，優(yōu)化載流子的注入效率和倍增區(qū)域后，實現(xiàn)了低功耗和高增益的APD性能。該器件在低擊穿電壓(1.4 V)下實現(xiàn)了高達(dá)6.3×10?的增益，接近InSe帶隙的理論閾值極限。此外，該器件還具有正溫度系數(shù)的電離率和極低的臨界電場(11.5 kV cm?¹)，并展現(xiàn)出低暗電流和噪聲等效功率，能夠在室溫下檢測到約35個光子的微弱光信號。該研究為開發(fā)高增益、低功耗的雪崩光電二極管提供了新的策略。
圖 a. Graphene/InSe/Cr 肖特基結(jié)APD器件結(jié)構(gòu)示意圖；b. 器件在300K和100K的雙邊雪崩擊穿特性曲線；c. Graphene/InSe/Cr 肖特基結(jié)APD與傳統(tǒng)半導(dǎo)體APD及其他二維材料APD的擊穿電壓(Vbd)與增益(M)關(guān)系對比；d. 300K和520 nm激光波長，70.7fW至418.7fW功率范圍內(nèi)暗態(tài)及光照下器件的I-V曲線；e. 520nm入射光波長下不同反向偏壓Ia的3dB帶寬；f. 300K時器件在不同偏壓下的噪聲電流隨頻率變化曲線。
3.微電子學(xué)院包文中、集成電路與微納電子創(chuàng)新學(xué)院周鵬聯(lián)合研究團(tuán)隊與香港理工大學(xué)實現(xiàn)基于二維半導(dǎo)體DRAM的仿生神經(jīng)元再類腦視覺芯片新突破
8月11日，微電子學(xué)院包文中、集成電路與微納電子創(chuàng)新學(xué)院周鵬聯(lián)合研究團(tuán)隊與香港理工大學(xué)柴揚教授合作，利用晶圓級二維半導(dǎo)體(MoS2)材料，基于動態(tài)隨機存儲器(DRAM)原理，提出了一種新型仿生神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，并首次在單一硬件中實現(xiàn)了內(nèi)在可塑性(Intrinsic Plasticity)、脈沖時序編碼與視覺適應(yīng)的協(xié)同集成。近日，相關(guān)成果以《基于單層二硫化鉬的內(nèi)在可塑性仿生神經(jīng)元》(“A Bio-inspired Neuron with Intrinsic Plasticity Based on Monolayer Molybdenum Disulfide”)為題發(fā)表于Nature Electronics。研究者開發(fā)了一種生物啟發(fā)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BioNN)用于圖像識別，將二維DRAM神經(jīng)元模塊用作圖像預(yù)處理和計算層。該神經(jīng)元能夠同時進(jìn)行脈沖時序編碼、神經(jīng)元本征可塑性調(diào)節(jié)、視覺適應(yīng)的生物神經(jīng)動力學(xué)過程，打破傳統(tǒng)神經(jīng)形態(tài)硬件架構(gòu)限制，將感知、記憶、計算一體化，從而實現(xiàn)高效集成的類腦視覺事件處理。未來，二維神經(jīng)元模塊可作為拓展成大型神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)的通用基本單元，與先進(jìn)傳感器、存儲器及類腦算法深度融合，高效構(gòu)建從邊緣智能終端到大規(guī)模分布式類腦網(wǎng)絡(luò)；其在自動駕駛、智慧醫(yī)療、機器人感知、腦機接口等領(lǐng)域發(fā)揮作用，為低功耗、實時響應(yīng)的智能系統(tǒng)提供基礎(chǔ)支撐，并推動類腦計算技術(shù)向更接近生物神經(jīng)系統(tǒng)的方向演進(jìn)。
圖 模擬人腦視覺適應(yīng)和特征識別的二維DRAM仿生神經(jīng)元電路
生命醫(yī)學(xué)領(lǐng)域
1. Cell｜公共衛(wèi)生學(xué)院粟碩團(tuán)隊帶著“地圖”追蹤微生物與耐藥基因，為全球首次繪制哺乳動物高分辨率微生物圖譜
8月26日，公共衛(wèi)生學(xué)院、上海市重大傳染病和生物安全研究院粟碩教授團(tuán)隊聯(lián)合中國科學(xué)院微生物研究所等多家單位，在國際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》(Cell)發(fā)表題為“Extensive cross-species transmission of pathogens and antibiotic resistance genes in mammals neglected by public health surveillance”。研究首次系統(tǒng)解析了大量此前未知的哺乳動物微生物組多樣性，并繪制了臨床重要ARGs的跨宿主共享網(wǎng)絡(luò)，拓展了人類對于微生物組成和多樣性的認(rèn)知邊界和深度，并為微生物源疾病和抗生素耐藥性防控提供重要理論基礎(chǔ)。
研究團(tuán)隊構(gòu)建了兩大創(chuàng)新分析框架：1.交叉多組學(xué)高分辨率微生物組解析框架：融合多組學(xué)測序、精準(zhǔn)微生物基因組重構(gòu)、新型物種劃分策略以及基于基因組比較的同源菌株識別，實現(xiàn)低豐度及新型微生物的精確鑒定，并追蹤跨宿主菌株共享事件。2.ARG與MGE高精度注釋框架：通過多數(shù)據(jù)庫交叉驗證及ARG-MGE聯(lián)合分析，實現(xiàn)ARGs和MGEs的精細(xì)分類和精準(zhǔn)豐度計算，并構(gòu)建重要ARGs的跨宿主共享網(wǎng)絡(luò)?；诟叻直媛饰⑸锝M解析框架，研究團(tuán)隊回收了245個病毒、25,442個細(xì)菌、13個真菌和2個寄生蟲基因組，極大擴展了現(xiàn)有微生物參考數(shù)據(jù)庫。共鑒定出128種病毒、10,255種細(xì)菌、201種真菌和7種寄生蟲，其中約70%的細(xì)菌物種(超過7000種)被推測為潛在新物種，揭示了哺乳動物體內(nèi)豐富的微生物“暗物質(zhì)”。
多層次群落結(jié)構(gòu)分析顯示，微生物群落在相同地理區(qū)域、宿主分類、及生活方式下顯著相似。團(tuán)隊利用高分辨率基因組比對與菌株分辨技術(shù)，首次系統(tǒng)揭示了哺乳動物微生物組中廣泛的跨地理區(qū)域、宿主分類及生活方式界限的菌株共享現(xiàn)象，涵蓋已知病原菌及非病原菌。這為深入理解病原菌生態(tài)學(xué)和精準(zhǔn)評估公共衛(wèi)生風(fēng)險提供了堅實的科學(xué)依據(jù)。研究中觀測到ARGs與MGEs高度共現(xiàn)，其中約五分之四的共現(xiàn)事件由插入序列(IS，一類MGE)介導(dǎo)，提示哺乳動物微生物組可能成為潛在可移動ARGs的儲存庫。
2. 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院/代謝分子醫(yī)學(xué)教育部重點實驗室潘東寧團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)肝ASPG介導(dǎo)的溶血磷脂酰肌醇分解代謝損害胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)
8月4日，基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院/代謝分子醫(yī)學(xué)教育部重點實驗室潘東寧團(tuán)隊在EMBO Journal發(fā)表題為“Hepatic ASPG-mediated lysophosphatidylinositol catabolism impairs insulin signal transduction”。該研究發(fā)現(xiàn)天冬酰胺酶(Asparaginase, ASPG)通過水解并降低肝細(xì)胞內(nèi)溶血磷脂酰肌醇(LPI)水平，消除了 LPI 對酪氨酸磷酸酶PTP1B活性的抑制作用，進(jìn)而抑制胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)并促進(jìn)肝因子 SEPP1 分泌，最終加劇全身胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)障礙。研究揭示 ASPG 控制的生物活性脂 LPI 水平可調(diào)節(jié)胰島素抵抗和胰島素分泌，為改善全身血糖穩(wěn)態(tài)提供了補充治療策略。
該研究發(fā)現(xiàn)MASLD患者肝臟ASPG 蛋白水平顯著升高，且與患者胰島素抵抗指數(shù)(HOMA-IR)和甘油三酯葡萄糖指數(shù)(TyG)呈正相關(guān)，提示肝 ASPG 參與調(diào)節(jié) MASLD 發(fā)生時胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)缺陷。動物實驗表明，肝細(xì)胞 Aspg 過表達(dá)顯著加重小鼠全身胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)紊亂，而肝細(xì)胞特異性敲除 Aspg則保護(hù)肥胖小鼠胰島β細(xì)胞功能，并提高主要代謝組織胰島素敏感性。本研究發(fā)現(xiàn)肝細(xì)胞內(nèi) LPI 可直接結(jié)合并抑制PTP1B 活性，以不依賴于 LPI 受體 GPR55 的方式發(fā)揮作用，這與經(jīng)典的 LPI-GPR55 作用模式完全不同，表明溶血磷脂分子 LPI 具有多種生物活性。研究表明肝細(xì)胞 ASPG 在MASLD背景下成為胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)缺陷的“助推器”，降低 ASPG表達(dá)水平是增強全身葡萄糖穩(wěn)態(tài)的潛在途徑。
圖 MASLD患者的肝細(xì)胞高表達(dá)ASPG，ASPG水解LPI，解除LPI對PTP1B磷酸酶活性的抑制，進(jìn)而阻礙肝細(xì)胞內(nèi)胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)并增加肝因子SEPP1表達(dá)。SEPP1促進(jìn)肝外組織胰島素抵抗和胰島素分泌缺陷
3. 復(fù)旦大學(xué)附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院舒易來教授團(tuán)隊與多方展開國際合作，進(jìn)一步拓寬了單堿基編輯技術(shù)在遺傳性疾病中的應(yīng)用范圍
8月5日，復(fù)旦大學(xué)附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院舒易來教授團(tuán)隊與韓國首爾大學(xué)醫(yī)院Sangsu Bae、Sang-Yeon Lee教授團(tuán)隊展開國際合作。在Nature Communications上發(fā)表題為“PAM-flexible adenine base editing rescues hearing loss in a humanized MPZL2 mouse model harboring an East Asian founder mutation”的研究論文。該成果揭示了PAM靈活的腺嘌呤堿基編輯器(ABE)可挽救攜帶東亞始祖突變的人源化MPZL2小鼠模型中的聽力損失，為遺傳性聽力損失提供了潛在的精準(zhǔn)治療策略。約60%的先天性耳聾是由遺傳因素所導(dǎo)致的，目前已知的耳聾基因超過200個，然而目前暫無臨床上市的治療藥物。MPZL2突變是非綜合征型常染色體隱性遺傳性耳聾DFNB 111(autosomal recessive genetic forms 111)的原因。患者主要表現(xiàn)出早發(fā)性、進(jìn)行性的輕度至中度感音神經(jīng)性聽力損失，且聽力損失在高頻更為明顯。
2018年，MPZL2首次被報道與遺傳性聽力損失相關(guān)。近年，一項基于大規(guī)模輕度至中度感音神經(jīng)性聽力損失(SNHL)兒童隊列的前瞻性研究表明，MPZL2是導(dǎo)致遺傳性輕度至中度SNHL的第二常見基因，占17.3%，僅次于STRC基因(55.8%)。值得注意的是，MPZL2中的某些特定突變(如c.220C>T)在東亞人群中具有始祖效應(yīng)(founder effect)，提示其可能為該地區(qū)特有的遺傳風(fēng)險因素。研究團(tuán)隊基于臨床隊列研究，對遺傳性耳聾1437例無親緣關(guān)系的耳聾家系進(jìn)行了系統(tǒng)性病因?qū)W分析，篩選出234例表現(xiàn)為對稱性、輕中度非綜合征型SNHL未成年患者(≤18歲)，明確了155例患者的致病基因(66.2%)。其中24例與MPZL2基因突變有關(guān)(15.5%)，且23例(95.8%)患者攜帶至少一個c.220C>T等位基因突變。c.220C>T等位基因在東亞人群中頻繁出現(xiàn)，提示該突變可能為東亞地區(qū)的始祖突變。
研究團(tuán)隊基于可實現(xiàn)A·T到G·C堿基編輯的腺嘌呤堿基編輯器(ABE)，研發(fā)了一種具有較低旁觀者編輯和脫靶效應(yīng)的PAM靈活的ABE變體治療體系：ABE8eWQ SpRY:sgRNA3。通過雙腺相關(guān)病毒(dual-AAV)的遞送，研究團(tuán)隊成功糾正了異?；虮磉_(dá)，恢復(fù)突變小鼠內(nèi)耳結(jié)構(gòu)的完整性以及MPZL2蛋白的表達(dá)，突變小鼠的聽力顯著恢復(fù)并維持至少20周，且沒有觀察到明顯的脫靶效應(yīng)。該研究進(jìn)一步拓寬了單堿基編輯技術(shù)在遺傳性疾病中的應(yīng)用范圍，豐富了單堿基編輯技術(shù)的應(yīng)用場景，增強了ABE技術(shù)應(yīng)用于其他遺傳性疾病的信心。
4. 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院、上海市重大傳染病毒和生物安全研究院夏帥、陸路、姜世勃教授及其合作團(tuán)隊揭示MERS相關(guān)冠狀病毒的膜融合入侵機制并開發(fā)高效膜融合抑制劑
8月19日，基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院、上海市重大傳染病毒和生物安全研究院夏帥、陸路、姜世勃教授及其合作團(tuán)隊在Cell Reports Medicine上在線發(fā)表題為“A MERS-related coronavirus circulating in pangolins exhibits strong fusogenicity in human cells and high sensitivity to fusion inhibitors”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)MjHKU4r-CoV-1感染人源細(xì)胞后，誘發(fā)大量合胞體形成，并伴隨顯著炎癥反應(yīng)，進(jìn)一步提示該病毒可能具有較高的致病性。鑒于冠狀病毒刺突(S)蛋白在病毒膜融合入侵靶細(xì)胞過程中的關(guān)鍵作用，研究團(tuán)隊系統(tǒng)比對了MjHKU4r-CoV-1-S與MERS-CoV-S功能域的同源性，并構(gòu)建了MjHKU4r-CoV-1-S的細(xì)胞-細(xì)胞融合系統(tǒng)，從而全面解析其膜融合過程中的動力學(xué)特征。結(jié)果顯示，MjHKU4r-CoV-1-S蛋白介導(dǎo)膜融合效率遠(yuǎn)高于HKU4-S和SARS-CoV-2-S (KP.2)組，這與MjHKU4r-CoV-1活病毒感染實驗中大量合胞體形成現(xiàn)象高度一致。
為了進(jìn)一步揭示MjHKU4r-CoV-1-S蛋白介導(dǎo)膜融合的分子機制，研究團(tuán)隊與中國科學(xué)院生物物理研究所朱赟研究員團(tuán)隊合作，構(gòu)建并表達(dá)了包含病毒HR1(989-1,064)和HR2(1,253-1,296)功能域的重組蛋白，并成功解析了病毒HR1-HR2功能域相互作用的晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)顯示三個HR1分子相互作用形成三聚體核心，三個HR2分子反向平行地作用于HR1三聚體表面的疏水性溝槽中，從而形成了經(jīng)典的六螺旋(6-HB)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)顯示，MjHKU4r-CoV-1-HR2中上大量疏水性氨基酸殘基(如I1259, I1262, T1264, L1267, L1269等)負(fù)責(zé)與HR1疏水溝槽的結(jié)合。同時，HR2上E1272、S1286、K1291等氨基酸殘基與HR1間存在著重要的電荷相互作用。此外，MjHKU4r-CoV-1 6-HB表現(xiàn)出與MERS-CoV 6-HB相似甚至可能更強的穩(wěn)定性，并且在多個關(guān)鍵位點上優(yōu)于SARS-CoV-2 6-HB。
總體上，該研究發(fā)現(xiàn)了MjHKU4r-CoV-1在感染過程中，可誘發(fā)顯著合胞體形成和炎癥反應(yīng)等病原學(xué)特征，進(jìn)而系統(tǒng)揭示了其S蛋白通過HR1-HR2功能域相互作用、形成6-HB而介導(dǎo)病毒高效膜融合入侵靶細(xì)胞的具體分子機制和結(jié)合細(xì)節(jié)；并以此為靶點，成功研發(fā)出系列HR2衍生活性多肽，其抑制病毒活性可達(dá)低納摩爾水平。這些HR2衍生肽具有較好的開發(fā)應(yīng)用前景，將為應(yīng)對未來可能爆發(fā)的MERSr-CoV疫情提供重要防治手段。
圖 MjHKU4r-CoV-1 誘發(fā)合胞體形成和炎癥因子表達(dá)
5.腦科學(xué)研究院/腦功能與腦疾病全國重點實驗室鄭平團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)外周血皮質(zhì)酮參與場景喚起成癮記憶的新機制
8月23日，腦科學(xué)研究院/腦功能與腦疾病全國重點實驗室鄭平教授課題組的研究工作發(fā)現(xiàn)外周血皮質(zhì)酮參與場景喚起成癮記憶的新機制。相關(guān)研究成果以“Corticosterone Contributes to Context-Triggered Retrieval of Morphine Withdrawal Memories by Acting on Basolateral Amygdala Neurons Projecting to Nucleus Accumbens Core”為題發(fā)表于Advanced Science。
研究團(tuán)隊將毒品成癮鼠放在兩個場景不同的盒子中，然后在一個盒子中使成癮鼠突然戒斷毒品，使其產(chǎn)生痛苦的戒斷癥狀，形成毒品戒斷痛苦記憶，并且將這個記憶與其所處的場景聯(lián)系到一起，以后將這個鼠再放到這個場景中，它就可以重新激活毒品戒斷痛苦記憶，從而使其厭惡這個場景而“逃離”這個盒子。利用這個模型，團(tuán)隊研究了外周血中的皮質(zhì)酮在介導(dǎo)場景提取藥物戒斷記憶中的作用和機制，發(fā)現(xiàn)與嗎啡戒斷記憶關(guān)聯(lián)的場景可誘發(fā)血清皮質(zhì)酮水平顯著升高；手術(shù)切除腎上腺抑制血清皮質(zhì)酮生成后，場景誘導(dǎo)的嗎啡戒斷記憶提取受到明顯抑制，而補充皮質(zhì)酮可逆轉(zhuǎn)這種抑制作用，這些結(jié)果表明外周血皮質(zhì)酮參與了場景提取嗎啡戒斷記憶。團(tuán)隊進(jìn)一步研究了外周血皮質(zhì)酮如何作用于腦參與場景提取嗎啡戒斷記憶。基底外側(cè)杏仁核(BLA)是藥物戒斷記憶形成、存儲和提取的核心腦區(qū)，該腦區(qū)表達(dá)有兩種皮質(zhì)酮受體-MR和GR。
結(jié)果顯示抑制BLA的MR可以降低場景對嗎啡戒斷記憶的提取，但抑制BLA的GR沒有作用，表明皮質(zhì)酮通過作用于BLA的MR參與嗎啡戒斷記憶的提取。BLA內(nèi)含有投射到多個腦區(qū)的神經(jīng)元，課題以前的研究表明投射到伏隔核(NAc)的BLA神經(jīng)元在遇到戒斷相關(guān)場景時發(fā)生記憶相關(guān)可塑性變化，抑制該神經(jīng)元可明顯抑制場景對嗎啡戒斷記憶的提取，表明該神經(jīng)元在嗎啡戒斷記憶提取中具有重要作用。因此，很有可能皮質(zhì)酮在BLA是通過作用于投射到NAc的神經(jīng)元參與嗎啡戒斷記憶提取。為證實這一假說，團(tuán)隊觀察了抑制BLA的MR對場景激活BLA-NAc投射神經(jīng)元的作用及抑制BLA-NAc投射神經(jīng)元對場景提取嗎啡戒斷記憶的影響，結(jié)果證實了這一假說。團(tuán)隊進(jìn)一步研究了MR如何激活BLA-NAc投射神經(jīng)元參與嗎啡戒斷記憶提取，結(jié)果顯示MR可增強BLA-NAc投射神經(jīng)元的谷氨酸能輸入通路，強化D1受體對該通路谷氨酸傳遞的調(diào)控作用，提升BLA-NAc投射神經(jīng)元的內(nèi)在興奮性。
圖 外周血皮質(zhì)酮參與場景喚起成癮記憶的新機制
6.腦智研究院彭漢川課題組揭示小鼠全腦尺度單細(xì)胞精度的大腦聯(lián)接組統(tǒng)計藍(lán)圖
8月26日，腦智研究院彭漢川教授課題組成功開發(fā)出一種基于小鼠神經(jīng)元完整形態(tài)重建的可擴展的大腦單細(xì)胞聯(lián)接圖譜。成果以“Reconstruction of a Connectome of Single Neurons in Mouse Brains by Cross-Validating Multi-Scale Multi-Modality Data”為題，在線發(fā)表于Nature Methods。不同于以往介觀尺度的腦區(qū)間的連接分析，這項研究以神經(jīng)元完整形態(tài)為基礎(chǔ)，深入挖掘了單神經(jīng)元之間的具體連接模式，揭示了特定的子網(wǎng)絡(luò)連接的模式，定量說明了單細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)下腦區(qū)連接強度與基因共表達(dá)間存在顯著相關(guān)性，對于理解大腦如何處理信息、如何進(jìn)行復(fù)雜思維具有重大意義。
研究團(tuán)隊基于當(dāng)前最大的神經(jīng)元形態(tài)數(shù)據(jù)集之一，構(gòu)建了兩種互補的單神經(jīng)元連接網(wǎng)絡(luò)：arbor-net和bouton-net。研究結(jié)果顯示，arbor-net和bouton-net所描繪的大腦連接網(wǎng)絡(luò)均呈現(xiàn)出高度的空間模塊化特征，與小鼠大腦基于解剖學(xué)的功能區(qū)域劃分存在一致性。研究團(tuán)隊對腦區(qū)間基因共表達(dá)和神經(jīng)元連接的關(guān)系進(jìn)行探討發(fā)現(xiàn)兩個腦區(qū)的連接強度越高，則基因共表達(dá)的強度也越高；另一方面，單細(xì)胞尺度下的連接具有更高的與基因共表達(dá)的相關(guān)性。同時，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了單細(xì)胞尺度下的腦網(wǎng)絡(luò)存在豐富的子網(wǎng)絡(luò)特征。
圖 腦區(qū)間的聯(lián)接信息和基因共表達(dá)的關(guān)系
所有評論僅代表網(wǎng)友意見，與本站立場無關(guān)。