仪器网（yiqi.com）欢迎您！

柔和的音乐对人有“疗伤”的效果，并非完全是小说家的杜撰。牙科手术，通常让人联想起可怕的疼痛，但早在60多年前，《科学》杂志就发表过一篇论文，统计了5000次牙科手术的结果，表明术中使用音乐与噪音可以促进放松、直接抑制疼痛。此后还有不少科学证据显示，音乐或是大自然的声音作为干预措施，可以帮助患者减轻牙科和其他医疗手术、分娩、癌症带来的疼痛。

受这些现象的启发，来自中国科学技术大学的张智教授、安徽医科大学陶文娟教授和美国国立卫生研究院（NIH）Yuanyuan Liu教授合作领衔的一支研究团队，利用实验小鼠探索了声音镇痛背后的神经机制。他们在学术期刊《科学》的***新一期上发表论文，破译了小鼠听觉系统在疼痛处理中的作用，并发现声音镇痛的效果取决于相对环境噪声的信噪比。

《科学》杂志同时做了专文评述，指出这项研究“通过创建一个研究机制基础的模型，为声音引起镇痛的研究开辟了新的方向”。

“人类脑成像研究表明，大脑某些区域与音乐引起的镇痛有关，但这些只提示了关联，Yuanyuan Liu教授指出，“在动物身上，我们可以更充分地探索和操纵神经电路来识别涉及的神经基础。”

为此，研究人员设计了一项实验：先造成小鼠后爪发炎，产生炎症性疼痛；随后，采用行为学测试等方法评估小鼠对疼痛的敏感性是否在听到不同声音时有所改变。

研究人员分别播放了旋律和谐的古典音乐、不和谐的音符组合以及白噪声，结果不那么意外地发现“对牛弹琴”：小鼠对几种不同类型的声音没有表现出不同反应。

▲比背景噪声（约45分贝）高5分贝的几种低强度声音都减弱了小鼠的疼痛敏感性

然而令人惊讶的是，当这三种声音中任何一种的声强度仅仅比背景噪音高5分贝时——相当于低声耳语的水平，似乎都有缓解疼痛的效果！

从小鼠的行为来看，它们躲避伤害性感受（即引起疼痛的刺激）的反应下降，而与疼痛相关的负面情绪也得到抑制。而且，重复播放这些低强度的声音，可以持续多日有镇痛效果，抑制疼痛和炎症超敏反应。

如果声音更“强劲”，比如进一步比背景噪声高10分贝、15分贝、20分贝时，则未能帮助小鼠有效抑制疼痛。

“我们真的很惊讶起作用的是声音的强度，而不是声音的类别或感知的悦耳程度，”Liu教授说。

接下来，研究团队开始探索听到这些低强度声音时，小鼠的大脑中发生了什么。采用病毒示踪、在体多电极记录和神经元钙成像记录等一系列方法，研究人员实时监测小鼠在自由清醒状态下不同脑区的神经细胞活动，***终发现了令人意外的一条神经通路对于低信噪比声音诱导的镇痛有重要功能。

▲声音影响痛觉感知的皮质丘脑回路（红色箭头所示）

具体来说，这条神经通路从接收和处理声音信号的听觉皮层出发，到达大脑深处的丘脑。实验显示，在没有声音的情况下人为选择性抑制该通路，可以模拟低强度声音镇痛的效果；相反，人为激活该通路，则会恢复动物对疼痛的敏感性。

丘脑是各种感觉信号（包括疼痛信号）传入大脑后的关键中间站，因此这条神经通路的存在，表明大脑的听觉皮层可以调节外周伤害性感觉的信号传递、影响皮层丘脑对体感信号的处理，来影响疼痛。

《科学》杂志的评论文章总结说，过去人们把使用音乐缓解疼痛的效果归功于注意力被声音分散的结果，然而这项研究结果揭示，声音引起的镇痛本身具有专门的实体基础，这也意味着，在其他已有的镇痛机制（例如分散注意力，或是使用类药物）之外，“声音疗法”或许作为又一项可行的措施，进一步缓解疼痛、减少镇痛药物的剂量。

当然，要实现这些前景，开发更安全的镇痛方法，还需要后续严格的实验测试并将动物实验的结果转化为适用于人类的结果。

       荣登封面的这项研究成果来自哈佛***神经科学家Joshua Sanes教授领衔的科学家团队。研究人员采用高通量单细胞基因测序的方法，创建了灵长类动物的视网膜细胞型态分类图谱，揭示为我们带来敏锐视觉的细胞有哪些特殊的基因特征。这项研究同时为理解人类视觉在疾病情况下如何被破坏提供了重要的基础。

      凹：让我们看得清清楚楚明明白白真真切切

人类的视觉在哺乳动物中出类拔萃，比如我们能够阅读，分辨人脸。这些功能可不简单，需要视觉能够分辨极细微的差异，并能迅速对焦。高清视觉全得归功于视网膜中间一个极小的特殊区域——***凹，也就是眼底黄斑的中心。凹的直径不到1.5毫米，面积只占视网膜的不到1%，但大脑获得的视觉信息却有50%来自这里。

     凹的特殊，还不仅是因为视线的“焦点”落在此处提供清晰影像，要知道哺乳动物中只有部分灵长类生物进化出了这个结构，比如人类。

▲“那（fovea）是个稀罕物，岂是什么生物都能有的？”

      凹为人类提供了视力的同时，却让科学家在解决人类视觉疾病时面临一个难题。就拿实验“劳模”小鼠来说，虽然它们为人类的科学研究提供了无数疾病模型，但它们“鼠目寸光”，视网膜没有***凹！这种 “先天缺陷”让它们在视觉相关疾病的模型上帮不上什么忙。再加上***凹结构太微小了，过去科学家在灵长类动物上的研究也止于形态解剖学的描述。

     终，他们在凹和外周视网膜中均鉴定出了近70种不同类型的细胞，并且还知道了每一个类型的细胞表达哪些基因。

      详尽的细胞分类图谱给科学家们提供了许多过去不知道的信息。用Sanes教授的话说，“我们现在弄清楚了凹特别在哪里。”

▲凹的细胞和外周视网膜类型相似，但组成却不同 

       尽管细胞类型九成相同，但***凹和外周视网膜的细胞类型组成不同。更关键的是，在同类型的细胞中，***凹处的细胞检测到表达与外周不一样的基因。非常有意思的是，这些基因的表达和***凹独特的视觉信息处理极为相关，科学家们相信，可能这才是***凹功能特殊的原因。

       核酸提取产品对细胞筛选的方法已日渐成熟，原理是将包被一抗的磁珠与细胞表面对应的分子特异性结合，或者将包被二抗的磁珠与已经与细胞表面分子特异性结合的一抗结合。核酸提取磁珠携带与之结合的细胞吸附与分离柱或试管上，实现阳性细胞或阴性细胞的分离。洛阳吉恩特生物自主研发生产了各类核酸提取磁珠，可以实现稳定的实验结果。

近日，中科院生物物理所李国红课题组与朱明昭课题组合作揭示组蛋白变体H2A.Z对DNA复制起始位点的调控。2019年12月25日，于《自然》（Nature）在线发表了题为H2A.Z facilitates licensing and activation of early replication origins 的研究论文。

该研究发现，含有组蛋白变体H2A.Z的核小体能够通过直接结合甲基化酶SUV420H1以有效刺激H4 K20残基的二甲基化，从而许可和激活早期复制起点。全基因组研究显示，来自H4K20me2、ORC1和新生DNA链的信号与H2A.Z共定位，并且H2A.Z的缺失导致整个基因组中H4K20me2、ORC1和新生链信号的减少。与其他来源相比，H2A.Z调控的复制起点具有更高的激发效率和更早的复制时机。这些结果表明，组蛋白变体H2A.Z在表观遗传学上调控早期复制起点的许可和激活，并通过SUV420H1-H4K20me2-ORC1信号轴维持复制时机。

为了研究这个通路在生理条件下的作用，研究者还构建了在小鼠T细胞中条件性敲除H2A.Z的小鼠。研究结果也发现，在T细胞中条件性敲除H2A.Z会导致活化后的T细胞增殖变慢，复制信号显著降低。

该研究中，H-3标记的甲基化转移酶活性使用珀金埃尔默公司的液闪仪进行定量分析。珀金埃尔默为ZG科学家科研助力。

图：含H2A.Z的核小体结合甲基化酶SUV420H1的结构显示（a）R257/ SUV420H1和E64/ H4相互作用（b）K333 /SUV420H1和D97/ H2A.Z相互作用

    在今日《科学》的论文中，André Nussenzweig研究团队以有丝***后的神经元和巨噬细胞为研究体系，发现DNA主动去甲基化对于增强子激活是必要的，并且解释了神经元和巨噬细胞增强子上DNA单链损伤的来源以及阐述其中的机制。

    据研究者介绍，在哺乳动物细胞中，5-甲基胞嘧啶（5mC）是***主要的DNA修饰，它对于发育和细胞分化有重要作用。5mC可被TET酶氧化为5-羟甲基胞嘧啶(5hmC)、5-甲酰基胞嘧啶（5fC）和5-羧基胞嘧啶（5caC），引起DNA去甲基化。

    在DNA主动去甲基化过程中，5fC和5caC被胸腺嘧啶DNA糖基化酶（TDG）切除产生无碱基位点，并后续产生DNA单链损伤。其能通过碱基切除修复（BER）途径***终修复转化为C碱基。

    根据过往研究数据，研究者推测单链DNA损伤可能与TET-TDG介导的5fC/5caC切除有关。利用细胞工程获得的兴奋性神经元（iNeuron），研究者降低了细胞TDG水平，结果发现此行为可让神经元中可以积累大量的5fC/caC。

    随后，研究者利用课题组开发的DNA单链损伤检测技术发现，降低TDG水平几乎消除了DNA单链损伤。这也说明，神经元中DNA单链损伤来源于TDG依赖的DNA主动去甲基化。

▲研究示意图（图片来源：Active DNA demethylation damages DNA，DOI: 

    除了在神经细胞增强子上观察到重复出现的DNA损伤修复事件，研究者还使用了由前体B细胞转分化来源的巨噬细胞作为测试对象。通过CRISPR/Cas9敲除TET2和TDG蛋白，研究者也在巨噬细胞中发现了主动去甲基化引起的DNA单链损伤和修复过程。

    不过两者也有着略微的区别，巨噬细胞偏好使用短补丁碱基切除修复（short-patch BER）以填补单核苷酸断裂缺口，而神经元会同时使用长补丁碱基切除修复 （long-patch BER）和短补丁碱基切除修复。

    根据论文，TDG缺失不会影响巨噬细胞和神经细胞的分化，却会在分化过程中让数千种基因的表达发生变化。这对细胞的行为是有影响的，例如TDG缺失削弱了巨噬细胞吞噬细菌的能力。而TDG被敲除，会部分影响神经元分化成熟相关基因的表达上调，包括神经突触前信号通路调控的相关基因。

    研究者指出，新研究发现的机制对于肿瘤治有一定启示意义。在DNA 主动去甲基化过程中，若使用抗肿瘤胞嘧啶类似物（Ara-C）中断DNA修复会触发 TDG 依赖性DNA损伤应答和神经元死亡，这表明神经元在正常分化和分化成熟后内在的生理活动可能会导致化疗造成的神经损伤。

    André Nussenzweig课题组博士后王东鹏，吴薇（兼共同通讯作者，现为中科院分子细胞科学***创新中心研究员）和研究科学家Elsa Callen为该论文的共同***作者。

    现阶段核酸检测是分析疾病的重要手段，洛阳吉恩特生物giant-bio自主研发生产的纳米核酸提取磁珠（DNA/RNA提取磁珠） 磁响应时间迅速，提取效率高，可明显缩短实验时间，提高实验效率，并在提取结果上保持稳定,另外羧基磁珠和氨基磁珠也是制作免疫磁珠的重要原料。

《自然》杂志同时在线发表了中国农业科学院深圳农业基因组研究所（以下称“基因组所”）黄三文研究员团队的两项重要研究成果，这些突破为实现泛基因组在马铃薯、番茄育种的应用提供了新的方案。

泛基因组（Pan-genome）是一个物种内所有基因组信息的总和。泛基因组相比单一参考基因组，包括了更多的遗传多样性，因此可以揭示更全面的遗传变异信息。此前的研究已经构建了多种作物的泛基因组图谱，但如何充分利用泛基因组的优势解决重要的生物学问题、促进植物遗传育种研究，仍是科学界面临的难题。

构建二倍体马铃薯泛基因组图谱

在其中一项研究中，黄三文团队构建了高质量的二倍体马铃薯泛基因组图谱。

与多数作物不同的是，作为一种四倍体作物，目前的马铃薯品种是利用薯块（马铃薯的块茎）进行无性繁殖的。无性繁殖的方式使得马铃薯的性状衰退，而四倍体遗传的复杂性又造成马铃薯品种的改良十分困难。此外，四倍体的种植需要使用薯块，相比于种子，运输难度要大得多，同时更容易遭受病虫害。

面对这些危机，一个想法是从根源上解决问题：改变马铃薯的繁殖方式。黄三文团队联合国内外单位发起了“优薯计划”，即用二倍体替代四倍体，并用杂交种子替代薯块，彻底变革马铃薯的育种和繁殖方式。

去年，黄三文团队的一项***性突破就已经登上了《细胞》杂志。他们利用二倍体替代四倍体，培育出了借助种子繁殖的***代杂交马铃薯品系。

▲黄三文团队已经培育出二倍体马铃薯杂交种

二倍体马铃薯的可行性已经得到证实，黄三文团队的下一个目标就是充分利用二倍体资源中的优异性状加速杂交马铃薯育种，并且探究无性繁殖方式对马铃薯基因组的影响，以及薯块形成的遗传演化机制。为此，研究团队在***新研究中构建了高质量的二倍体马铃薯泛基因组图谱。

通过对比分析二倍体马铃薯（包括野生种与农家品种）与不结薯的马铃薯姊妹类群的基因组，研究团队取得了一系列重要发现。

马铃薯的薯块是如何长出来的？对于这个重要的生物学问题，这项研究为我们揭示了关键遗传因素。通过马铃薯与姊妹类群的多组学比较分析，研究人员鉴定出一个可能在薯块发育的起始时期发挥关键作用的转录因子。这个薯块身份基因（IT1）与结薯移动信号因子直接互作，正常情况下可以指导形成薯块；但在相应位置出现突变时，植株的匍匐茎顶端无法正常膨大形成薯块。

▲左图为不结薯的马铃薯姊妹类群Etuberosum，右图为结薯材料马铃薯。Etuberosum的地下分枝向上生长发育成新的植株；而马铃薯的匍匐茎向下生长，并且在匍匐茎顶端膨大形成薯块。

这项研究还对马铃薯的抗病基因进行了分析。野生马铃薯的抗病基因，可以作为现代品种抗性改良的重要资源。相比于姊妹类群，马铃薯中的抗病基因拷贝数更多。由于无性繁殖的马铃薯更容易受到病原菌侵袭，因此作者推测，抗病基因数量的增多，是为了应对病原菌感染所演化出的策略。

同时，这项研究鉴定出超过56万个高质量的结构变异，并且***构建了栽培和近缘野生马铃薯的***段倒位图谱。

▲马铃薯倒位图谱

“马铃薯存在大量的结构变异，并且由于长期无性繁殖策略，这些结构变异很难通过有性繁殖被清除出去，”这篇论文的共同***作者，基因组所博士生唐蝶介绍道，“我们对基因组中的倒位进行了系统鉴定，并且结合3号染色体的例子发现倒位会带来严重的连锁累赘现象。”

在马铃薯3号染色体上，一处***段倒位事件与控制块茎中类胡萝卜素积累基因紧密连锁。因此，在筛选***薯块的个体时，也会伴随着其他预期之外的性状。“这个案例提示育种学家，在进行回交育种时需要谨慎地选择合适的供体和受体亲本，避免倒位造成的连锁现象。” 唐蝶表示。

审稿人评价，该研究解析了马铃薯和姊妹类群之间的演化关系，并且对块茎演化提出见解，更重要的是发现了与农艺性状紧密关联的结构变异。这项研究展示了基于广泛选材的泛基因组学的力量，能为其他作物泛基因组研究提供参考方法。

找回番茄“丢失的遗传力”

而在同期发表的另一项研究中，黄三文团队利用泛基因组研究解决番茄的“遗传力丢失”问题，为解析生物复杂性状的遗传机制和番茄育种提供了新思路。

所谓遗传力丢失，简单地说，就是很多性状背后的遗传因素仍然未知。如果能找回这些“丢失的遗传力”，将有助于理解复杂性状的遗传机制，为相关的育种工作提供理论支持。

在这项研究中，黄三文团队利用一项图泛基因组技术对复杂结构变异（SV）进行了检测，从而全面评估遗传变异对遗传力的具体影响。利用番茄的转录组及代谢组数据，研究人员从不同的角度找回了“丢失的遗传力”。

▲番茄图泛基因组研究流程。研究人员利用高准确率的三代测序技术组装了骨架基因组SL5.0和31份具有代表性的材料，鉴定出相关的遗传变异，再整合已公布的结构变异和短片段测序检测的变异，***终构建了来自838个番茄基因组的图泛基因组并用于后续研究。

SV是***主要的遗传力来源。利用单一参考基因组对SV的检测能力有限，而利用图泛基因组的遗传变异，可以将估计的遗传力提高24%。

此外，研究人员尝试利用图泛基因组的遗传变异提高全基因组分析（GWAS）的检测能力，并分别解决了等位基因异质性和位点异质性导致的GWAS检测能力下降的问题，从而进一步提升了遗传力。

这些重新找回的遗传力，可以帮助育种学家培育出具有更优良性状的番茄品种。近年来，番茄的风味正在逐渐减弱，因此有不少科学家尝试恢复番茄的风味。

番茄风味是复杂性状，受多基因控制。“在育种中，我们可以利用基因组选择对风味相关物质含量进行预测。我们找回的遗传力，可以帮助提高预测的准确率，从而提高育种效率。”该论文的共同***作者，基因组所副研究员周姚介绍。

“以影响番茄产量和糖度的重要代谢物可溶性固形物为例，我们共鉴定出了2个潜在的与其含量高度相关的SV。利用这两个SV作为分子标记，我们可以选择出高可溶性固形物含量的个体，” 周姚表示，此外，对于大量微效的基因，可以通过基因组选择进行选择。遗传力越高，基因组选择准确率也就越高。因此，利用SV进行基因组选择，可以取得优于传统方法的准确率。

论文评审专家认为，这项工作是对图泛基因组概念***全面的分析。 “图泛基因组将可能成为基因组分析和作物基因组育种的标准，在这个意义上，这篇论文是奠基性的（foundational）”。

黄三文研究员为两篇论文的通讯作者，基因组所博士生唐蝶、博士后贾玉鑫、中国农业科学院蔬菜花卉研究所助理研究员张金喆和基因组所与荷兰瓦赫宁根大***合培养博士生李宏博为马铃薯文章的共同***作者。基因组所副研究员周姚，博士生张智洋和科研助理鲍志贵为番茄文章的共同***作者。基因组所和国内外多家单位科研人员也为该研究做出了重要贡献。国家基金委、科技部、广东省、深圳市和中国农科院科技创新工程资助了这两项研究。

DNA提取是分析农作物分子生物学性状的重要步骤，现阶段，常用的DNA提取技术有磁珠法和离心柱法，使用磁珠进行农作物的DNA提取，可以实现高通量、自动化的操作。由于磁珠对核酸的吸附灵敏度高，只需要少量的叶片或其他组织即可得到高得率、高纯度的DNA。吉恩特生物采用自主研发生产的纳米生物磁珠和磁珠法DNA提取试剂盒，可以从各种类型的农作物中提取高质量的核酸，配合核酸提取仪，可以达到快速自动化提取的目的。

卵子与精子的相遇象征着哺乳动物生命的起点，但从卵母细胞成熟到受精卵形成之后，基因转录并不是活跃进行的，相反，基因组在这一段时间内处于沉默的状态，直到一个关键的过程到来——合子基因组激活（zygotic genome activation，ZGA）。

ZGA发生在受精卵***的特定阶段，例如对于人类，出现在8细胞时期。这时，基因组迅速激活并大量表达。作为生命起始时的***次转录事件，同时也是启动胚胎发育进程的关键事件，ZGA的重要意义不言而喻，但这个过程仍未被完全理解清楚。例如，尽管启动ZGA的关键转录因子在其他物种中被陆续发现，但启动人类ZGA的关键转录因子仍然是一个未解之谜。

在***新一期《科学》杂志中，清华大学生命学院颉伟教授团队与山东大学生殖医学研究中心陈子江院士、赵涵教授团队合作，绘制了人类卵子向早期胚胎转变过程中的翻译图谱，进而揭示了人与小鼠（人-鼠）早期胚胎翻译组动态变化的差异性和保守性，并鉴定出了人类合子基因组激活的关键调控因子。

在哺乳动物卵子向早期胚胎转变的过程中，翻译在减数***、合子基因组激活和早期胚胎发育过程中扮演了重要角色。为了更准确地得到相同样品的翻译组与转录组信息从而用于深入分析，同时为了节省人类卵子及早期胚胎样品，研究团队结合超灵敏翻译组测序技术（Ribo-lite）和转录组测序技术（Smart-seq2），开发出一项可以进行翻译组与转录组联合测序的新技术——Ribo-RNA-lite（简称R2-lite）。

经翻译组分析比较发现，在卵子向早期胚胎转变过程中，人-鼠同源基因中有一半呈现保守的翻译水平动态变化趋势，而另一半呈现出不同的翻译水平动态变化趋势。这些广泛的翻译水平差异来自编码表观遗传重编程因子、小RNA生物学合成酶等基因。

研究发现，不同物种间翻译变化的差异，部分是由3'非翻译编码区（3’ UTR）关键调控序列的差异排布导致的。因此，研究证实了3’ UTR多样性对于调节RNA翻译的物种间差异性与保守性，起到了***关重要的作用。

此外，研究团队从翻译组数据中发现，一组同源域（Homeobox）转录因子在人类合子基因组激活阶段附近呈现高翻译活性，这些转录因子包括母源因子TPRXL以及在初级ZGA时期开始表达的TPRX1和 TPRX2。它们潜在的DNA结合基序在ZGA基因的远端开放染色质区域（即可能的增强子）上高度富集。因此，这些转录因子可能就是ZGA过程的关键调控因子。

为了验证这一点，研究团队开展了进一步的实验。结果，联合敲低TPRX1/2/L会导致胚胎发育和ZGA的明显缺陷，大约31%的ZGA基因被下调。此外，在人类胚胎干细胞中，过表达TPRX1/2会结合并激活一部分ZGA基因。这些下游基因包括有多个转录因子，说明TPRX1/2/L可以靶向下游转录因子从而进一步启动下游转录事件。

综上所述，这项研究揭示了人-鼠早期胚胎翻译组动态变化的差异性和保守性，并且鉴定出了人类ZGA过程的关键调控因子TPRXL、TPRX1和 TPRX2。

▲通过人类卵子和早期胚胎翻译组与转录组联合测序，研究揭示了翻译调控机制和合子基因组激活关键因子

对于这项突破的意义，论文共同***作者，清华-北大生命科***合中心博士研究生邹卓宁解释道：“合子基因组激活（ZGA）的正常进行对于胚胎发育进程，以及母源-合子转变过程的推动都起着重要的作用。配子形成、受精作用以及早期胚胎发育等过程中的缺陷都可能是临床上不孕不育症的形成原因。理解ZGA以及早期胚胎发育过程中的分子机制（如重要调控因子的发现），可能可以为人们进一步理解人类不孕不育症的病因、帮助不孕不育症的治liao，以及提升辅助生殖技术中胚胎的成活率等提供理论基础。”

两个物种拥有相似的性状特征时，可能的原因是什么？答案可能是两者的亲缘关系很近，也可能是趋同演化的结果——亲缘关系较远的物种为了适应同样的环境，也可以演化出部分相似的特征。不过，一项***新研究却告诉我们：除了这些我们熟悉的答案，一些随机事件也可以导致这一现象。

在这项在线发表于《细胞》杂志的***新研究中，张国捷教授团队揭示了在物种快速分化过程中，一类随机事件也可能导致远缘物种具有相似的表型。这一发现为准确理解生命演化历程提供了重要线索。

从***原始的单细胞生物到复杂的人类，自然界的众多物种共同形成了一棵“生命之树”——这棵树反映了各个物种从共同祖先不断分化、演化***今的历程。对所有物种来说，找到它们在生命之树上的位置***关重要，但也充满了挑战性。

如何推断物种的演化历程？早期的科学家利用的是不同物种的性状特征：当它们拥有越多相似的性状，亲缘关系可能就越接近。根据这样的原则，科学家可以描绘出不同物种的形态树。

而随着遗传物质DNA被发现，科学家也获得了绘制生命之树的新工具。物种间DNA序列的差异可以反映出物种的分化历程，也就是说，DNA序列越相似，物种在生命之树上就更接近。

由于表型由DNA决定，理论上携带相同表型的物种演化关系也就越接近，因此形态数据和DNA数据应该都可以用来构建物种树。然而在实际应用中，利用DNA构建的分子树与形态树却时常出现矛盾的结果，这样的矛盾尤其常见于经历过物种快速分化的类群。

是什么原因造成了这样的矛盾？利用哪种手段为物种溯源，得到的结果才更加可靠？

科学家已经发现，不完全的谱系分流（incomplete lineage sorting）是一个可以导致上述矛盾的因素。简单地说，就是当多个物种迅速从一个共同祖先中分化出来，它们可能会随机获得祖先某些基因的不同基因型。这时，这些特定基因在哪些物种中更相近，就是个随机事件。

▲有袋类早期物种形成过程中不完全谱系分流示意图。***新研究利用有袋类揭示了不完全谱系分流对演化的影响

让我们以人、黑猩猩和大猩猩为例，来理解这个现象。我们知道，相较于大猩猩，人与黑猩猩的亲缘关系更近。如下图所示，以三者的共同祖先为起点，***次物种分化形成了大猩猩，它们***终固定了蓝色的基因型。同时，人和黑猩猩的共同祖先继承了橙色和蓝色两种基因型，在第二次物种分化时，可能出现这样的随机现象：人类固定了蓝色的基因型，而黑猩猩随机固定了橙色的基因型。

▲不完全的谱系分流示意图：每组两个圆点代表一个个体，每个圆点代表一个基因

这时我们就会观察到，人的一些基因组序列与大猩猩更相似，而与黑猩猩差异更大。这一点也在基因组测序数据中得到了体现：人的基因组里超过15%的基因组区域，是与大猩猩更相似的。

事实上，科学家已经在多种经历过物种大爆发的动物类群中观察到不完全的谱系分流，但人们不清楚的是，这种现象对性状的演化是否存在影响。

为了回答这个问题，在***新研究中，张国捷教授团队利用经历过物种大爆发的有袋类动物开展研究。长期以来，有袋类动物的演化关系存在争议，争议的来源就在于南美有袋类微兽目（Microbiotheria）的演化地位。

作为微兽目的***现存物种，南美洲的南猊（西班牙语俗称小山猴）在骨骼、生殖器官和大脑结构等方面却与大洋洲的有袋类动物（尤其是袋鼠、考拉等双门齿目）更相似。因此早期的研究猜测，小山猴应该和袋鼠、考拉近缘关系更近，南美洲的小山猴应起源于大洋洲。

然而，***新研究通过全基因组研究，彻底推翻了这个猜想。研究结果表明，小山猴与大洋洲的有袋类有共同祖先，但不属于后者。有趣的是，在有袋类基因组中，有超过50%区域构建出的分子树与真实的物种分化过程不一致。一个直观体现就是，小山猴与一些大洋洲有袋类之间的相似度，要高于大洋洲有袋类之间的相似度。

随后，研究团队利用博物馆馆藏标本确认了小山猴的多种骨骼形态特征都与袋鼠和考拉更为相似。进一步筛选出候选基因后，作者在小鼠模型中验证了，受不完全谱系分流影响的基因型替换确实产生了符合预期的表型结果。

▲小山猴是大洋洲有袋类姐妹群，而非位于大洋洲有袋类内部

因此，在有袋类的案例中，很可能正是不完全的谱系分流导致了物种间的性状特征与真实的演化过程不符。一些看起来更相像、甚***部分DNA区域也更接近的不同类群，事实上亲缘关系可能更远。

显然，不完全的谱系分流带来的随机性使得生命之树的绘制变得更加复杂。这也提醒我们，如果直接依靠部分基因或者是部分相似的性状来追溯物种的演化路径，很可能会受到误导、产生错误结果。对于生物演化的研究来说，这项研究讲述了一个重要准则：全基因组数据才是重构物种发生历程的金标准。

DNA提取磁珠可以有效的从标本中提取基因组DNA、病毒DNA或游离DNA，采用化学合成的方法将四氧化三铁进行特殊的处理，使其粒径达到均一化分散，再通过特殊的材料进行官能基团（如硅羟基、羧基）的包覆。包覆官能基团后，磁珠具备了核酸吸附能力，配合核酸提取仪，可以自动化的提取DNA和RNA。

2019年9月24日，清华大学李蓬课题组在Cell Reports上发表了题为“The protein phosphatase 1 complex is a direct target of AKT linking insulin signaling to hepatic glycogen deposition”的研究论文，报道了PP1复合物作为营养感知器，独立于GSK3介导胰岛素刺激下肝脏糖原合成的调节机制。

胰岛素是机体调节血糖吸收、促进合成代谢(anabolic metabolism)Z关键的激素，可以促进糖原、脂肪、蛋白质合成。糖原和脂肪可被用于能量贮存；糖原是Z先被机体利用的能量储备：比如在运动时，肌肉糖原可以作为快速的能量来源，供肌肉细胞产生ATP；而肝脏中糖原负责在饥饿或能量缺乏时补充血糖，使之维持稳定浓度。但是糖原代谢里一个长期悬而未决的问题，胰岛素是如何激活糖原合成的？甚至在Z新版（第七版）的Lehninger生化教科书中，也只是指出需要一个“insulin-sensitive protein kinase”，但不知其身份。虽然胰岛素-AKT可以通过YZ激酶GSK3、降低糖原合成酶GS磷酸化来促进糖原合成，但是这条调节通路的作用非常有限，因为GSK3的磷酸化位点突变后不影响糖原合成。并且，GSK3调控糖原合成是通过双YZ作用而起作用，目前我们的认识里还缺乏一种主动糖原合成调控的机制。虽然已知胰岛素还通过激活磷酸酶PP1，进而调节多个关键糖原代谢酶，然而由于对phosphatase调节研究的困难，领域内只能猜测却难以发现这个调节PP1磷酸酶的“insulin-sensitive protein kinase”。

PP1(protein phosphatase1)对糖代谢具有重要作用，参与调节多个糖原代谢酶活性，包括GS、GP和GPK。PP1全酶由一个催化亚基(PP1c)和一个调节亚基(PPP1R)组成。已知PPP1R3家族作为特殊的一类调节亚基可以把PP1靶向到糖原代谢过程，该家族包括7个成员，PPP1R3a-g。尽管一些研究表明PPP1R3成员参与调节肝脏糖原合成和积累，但是具体的机制究竟是如何呢?

针对这个问题，李蓬团队首先通过生物信息学分析磷酸化蛋白组数据库数据，找到了10个候选蛋白，可能是AKT新的磷酸化底物，同时也参与调节糖脂代谢。随后通过生化实验鉴定出PPP1R3g是AKT一个新的直接底物，同时结合质谱分析发现S79是PPP1R3g的AKT磷酸化位点。其后，课题组发现在胰岛素刺激下PPP1R3g可以直接被AKT磷酸化，更重要的是发现生理和病理条件下的胰岛素信号与PPP1R3g磷酸化水平密切相关。更进一步地，课题组发现在胰岛素刺激下，PPP1R3g介导糖原合成是不依赖于经典的GSK3途径的。接下来，课题组通过敲除和过表达系统在体研究了PPP1R3g磷酸化的生理功能，发现PPP1R3g磷酸化可以加快葡萄糖清除和提高胰岛素敏感性。在机制上，课题组发现PPP1R3g磷酸化可以提升与p-GS的结合，进而加快PP1c对GS的去磷酸化。同时发现了PPP1R3b可作为PPP1R3g的下游，通过结合从PPP1R3g上解离下来的去磷酸化GS，刺激糖原的合成，从而实现对胰岛素信号的传递。

图1. 胰岛素-AKT调控PPP1R3G磷酸化促进糖原合成的新机制

本研究回答了本领域近30年一直未回答的问题，为新版的生物化学书籍完善提供重要的一笔（图2）。

图2. 经典生化教科书中可修改的一笔。左图为Lehninger Principles of Biochemistry(7th Edition)中提出的位置激酶，右图则是该研究提供的改写

该论文中，糖原合成酶和糖原磷酸化酶活性的研究均采用放射性方法，利用放射性标记的葡萄糖作为底物，通过检测放射性活度来计算酶的活性。珀金埃尔默提供了从试剂、耗材到检测仪器的完整解决方案，助力ZG科学家取得更大成就。

    老年神经退行性疾病，如阿尔茨海默症(AD)、肌萎缩性侧索硬化症、Ⅱ型糖尿病等，目前困扰着全世界大约5亿人，且这个数字仍在不断迅速增长。尤其是阿尔兹海默症（占70%以上），目前仍未有行之有效的诊断方法，因此无法得到有效的ZL或预防。尽管当代病理学研究已经证实这种病理变化与具有神经毒性的β淀粉样蛋白质的聚集有关，但其在神经元或脑组织中的聚集机制目前尚不清楚。现有的方法, 如电子显微镜、免疫电子显微镜、共聚焦荧光显微镜、超分辨显微镜，通常都需要对样品进行化学加工（标记染色等）,可能会对淀粉样蛋白结构本身造成影响。而非标记方法，如表面增强拉曼光谱（SERS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）, 前者受限于亚细胞水平上的低信噪比、自发荧光及不可逆的光损伤，后者其空间分辨率受限于红外光波长（≈5–10 μm），且光谱可解译性和准确性受到弹性细胞光散射所产生的米氏散射效应(Mie scattering effects)的严重影响，使得直接在亚微米尺度上研究淀粉样蛋白质在神经元内的聚集行为十分困难。

    美国Photothermal Spectroscopy（PSC）公司开发的全新非接触式亚微米分辨红外测量系统mIRage， 是基于独 家ZL的光学光热诱导共振（O-PTIR）技术，它克服了传统FTIR技术的衍射极限和米氏散射效应，红外光谱空间分辨率高达500 nm，且无需对样品进行标记, 不再需要衰减全反射（ATR）技术进行厚样品测试，且能够无接触和无损探测样品，全程对样品无污染，可以帮助科研人员更全面地了解亚微米尺度下样品表面微小区域的化学信息，使得在亚细胞水平揭示生物分子结构成为了可能。美国Photothermal Spectroscopy（PSC）公司开发的全新非接触式亚微米分辨红外测量系统mIRage（如图1A所示），使用可见探测束（532 nm）来测量样品在脉冲红外光束照射下的红外光热响应，具体体现为样品反射率的变化，由于使用了可见光作为检测光，使得其空间分辨率不再依赖于入射红外光的波长，且单一特定探测光束的使用还可以消除米氏散射效应。

图1. (A) 美国PSC公司非接触式亚微米分辨红外测量系统mIRage实物图；（B）亚微米红外成像示意图：神经元树突的AFM形貌图,其中神经元直接在CaF2基底下生长。mIRage采用两束共线性光束: 532 nm可见(绿色)提取光束和脉冲红外(红色)探测光束，样品的光热响应被检测为样品由于对脉冲红外光束的吸收而引发的绿色光部分强度的损失，使红外检测的空间分辨率提高到≈500 nm. (C) 小鼠大脑皮层初级神经元, 在CamKII促进下表达为tdTomato荧光蛋白，使得神经元结构填满红色，图片标尺为20 μm。(D) 图C区域放大图片，箭头指示树突上的神经元刺。

    因为上述的巨大技术优势和突破，非接触式亚微米分辨红外测量系统mIRage在生物学领域技术有广泛的应用前景和潜力，可应用于诸如细胞学研究（蛋白质、磷脂结构分析，红细胞、巨噬细胞成像等），临床致病菌/病原微生物鉴定，癌症诊断（细胞/组织），牙科/骨病变/眼科检测，生物大分子损伤，生物组织识别，以及生物药物检测，法医学等。

    近日，瑞典隆德大学的Klementieva教授团队与美国PSC公司的Mustafa Kansiz博士合作，使用全新非接触式亚微米分辨红外测量系统在亚微米尺度上研究了淀粉样蛋白沿着神经突直到树突棘的聚集行为（图1B和C），这是以往的实验技术手段所不可能实现的。在该研究中，他们使用了大脑皮层初级神经元，这是因为它们易发生AD病变，且具有独特的结构。初级神经元的这种形态特征使得可以在单个神经元层面上来测试全新非接触式亚微米分辨红外测量系统的分辨率和准确性。首先，他们在反射模式下获得了高质量的红外光谱，且不受米氏散射或基线失真等人为因素的干扰(图2A,B)。值得注意的是，全新非接触式亚微米分辨红外测量系统其约为400 nm的横向分辨率，使得他们能够通过比较1740 cm-1处的峰强度来检测脂质含量的差异，以及通过对比酰胺II (1540 cm−1)与酰胺I特征峰强度(1654 cm−1)的比值来比较氨基酸(蛋白质)的种类和数量上的差异(图2C,D)。这是科学家们首次获取单个树突棘的高分辨率的化学图像和红外光谱，以往其它测试方法是无法做到的。

图2. 使用非接触式亚微米分辨红外测量系统mIRage观察初级神经元结构。 (A) 在1650 cm-1处获得的神经元的红外图像，显示了蛋白质的分布; (B)中对应原始红外光谱的位置用数字和圆点表示，图片标尺为20 μm；（C）在1650 cm-1处获得的树突的红外图像，数字表示D图中获得光谱的位置，图片中标尺为20 μm；（D）在C图中两点处取的归一化红外光谱,体现了该方法的亚微米空间分辨率。红色箭头表示蛋白质结构的化学变化。

    为了在亚细胞层面上定位神经元中β片层结构，作者对APP-KO神经元进行了为时半小时的合成Aβ(1-42)处理（2×10−6 M），并使用非接触式亚微米分辨红外测量系统mIRage进行了化学结构的成像分析（图3A）。对Aβ处理后的APP-KO神经元的红外光谱进行分析证实，β片层结构可以在亚细胞水平上进行分辨。有趣的是,纯Aβ(1-42)纤维在1625 cm−1位置处有特征的红外峰，当加入到神经元结构中后，β片层结构的特征峰移动到1630 cm-1处，表明淀粉样原纤维结构发生了变化，可能是由于其与细胞蛋白和/或细胞膜发生相互作用导致的（图3B, C）。基于该发现，我们可以得出，在神经元中的淀粉样蛋白的构型变化可能会引发阿尔茨海默症进程中的不同机制。为进一步了解其形成机制，更多的方法学研究变得更加必要，如将非接触式亚微米分辨红外与免疫荧光显微镜结合起来，这种多模态成像模式可以在不同的细胞层面上更详细分析特征蛋白的结构变化，如前突触或后突触，囊泡(溶酶体或内溶酶体)或其他细胞器。

图3. 使用非接触式亚微米分辨红外测量系统Mirage观察β片结构在处理后的初级神经元中的聚集行为。（A，B）APP-KO初级神经元在1650和1630 cm-1处的明场和光热红外成像，彩色标度表示光热振幅的强度，从Z小值(蓝色)到Z大值(红色)，阈值为50%(以0为ZX)，插图为放大或叠加后的红外成像图，图片标尺为20 μm；（C）神经元中淀粉样蛋白结构在2×10−6 M Aβ(1-42) (红色)处理或不处理(绿色)后分别对应的红外光谱。β片结构对应的特征红外峰用红色箭头表示，光谱数据点间距为2 cm−1，数据进行50次均一化处理。

    综上所述，借助全新非接触式亚微米分辨红外测量系统mIRage，科学家成功首次揭示了初级神经元的分子结构，无需标记，且因为该技术是在非接触模式下工作，不会对神经元造成损伤，这在研究脆弱或粘性的物质时显得尤为重要。另外，该技术还能获得亚微米尺度的红外光谱，且不含由于背景失真或米氏散射造成的散射伪影。Z新的技术进步表明，全新的非接触式亚微米分辨红外测量系统mIRage现在可以用来做活细胞成像,并保持相同的亚微米空间分辨率。在这种情况下，全新的非接触式亚微米分辨红外测量系统有望在β片层结构在活神经元的突触附近的化学成像中发挥关键作用，并提供一个新的机会来研究神经毒性淀粉样蛋白如何从一个患病的神经元传播到一个健康的神经元，揭示阿尔茨海默症的形成和发展机制。该工作发表在2020年的Advanced Sciences上（DOI: 10.1002/advs.201903004）。

细胞出版社以形式发布了生命全景时空图谱。4篇论文不仅展现出动植物器官形成过程中，细胞的动态演化，还将加深我们对生命演化的认识、有望为遗传疾病开发全新疗法。

其中，介绍小鼠胚胎发育时空图谱的论文刊登于《细胞》杂志，另外3篇分别展示果蝇、斑马鱼和拟南芥时空图谱的论文发表于《细胞》子刊《发育细胞》。

完成这一系列研究的，是由深圳华大生命科学研究院联合多家研究机构组成的时空组***盟（STOC）。研究团队的目标是绘制不同动植物物种在发育过程中的时空图谱。时空图谱反映了细胞在生物体内的时间与空间演化，可以帮助研究人员识别组织内特定细胞的特征，对于理解疾病的形成、筛查疾病有着重要意义。但是，时空图谱的绘制往往需要成千上万次实验。

在这一系列***新研究中，时空组***盟使用的是一项全新的时空组学技术：Stereo-seq。借助Stereo-seq技术，科学家可以追溯细胞的精确位置、看清它如何与相邻的细胞相互影响。仅需1次定位，就可以完成传统手段需要上万次尝试才能获取的时空图谱。

Stereo-seq是如何实现这一巨大飞跃的？其技术核心在于DNA纳米球阵列与原位DNA捕捉技术的结合：前者可将小的DN***段扩增；后者则确保了在活体生物中实现实时成像。由此，Stereo-seq的分辨率可达500纳米，视野也可以达到13×13厘米，超高的分辨率和超大视野使得科学家能研究较大的组织上单细胞尺度的变化。

▲Stereo-seq可以让科学家获取高分辨率的转录组学信息

“这项研究使得单细胞测序进入全新的阶段，科学家可以在正在发育的小鼠胚胎中，以极高的分辨率和测序深度分析组织，”《细胞》论文共同作者，剑桥大学临床医学院院长Patrick Maxwell教授表示，“该技术还将加深我们对哺乳动物发育、组织形成等问题的理解，让我们深入认识发育过程、正常的组织功能与疾病机制。”

在其中一篇《细胞》论文中，研究团队使用Stereo-seq检验了小鼠第9.5-16.5天之间的早期胚胎发育过程。在此期间，胚胎正在快速发育，细胞数量从数十万增长***数千万。利用Stereo-seq，研究团队在8天中共获得53张胚胎发育的“照片”，它们共同组成了小鼠器官形成的时空图谱，以单细胞分辨率和高灵敏度描绘了小鼠器官发育、形成过程的过程。

▲Stereo-seq以单细胞分辨率剖析了成年小鼠大脑结构

这张小鼠的时空图谱展示了30万个细胞的精确位置。由此形成的全景图谱可以让科学家深入理解细胞差异的分子基础、大脑组织发育的差异，并且帮助揭示遗传疾病的发病机制。

例如，Robinow综合征是一种典型的出生缺陷，患儿会出现唇腭裂、肢体短小等症状。此前的研究已经发现了与这种疾病相关的基因，但这个基因如何导致症状却是未知数。研究团队在小鼠胚胎发育过程中对该基因进行定位，发现其在小鼠的嘴唇和脚趾中高度表达。因此，如果该基因出现突变，那么唇腭和肢体发育就可能出现异常。

▲研究揭示了小鼠器官形成的时空图谱

在其他两篇论文中，研究团队同样构建了斑马鱼和果蝇的胚胎发育时空图谱。这些进展为研究胚胎发育模式与相关分子的机制开启了新的手段，也为揭示胚胎演化奠定了基础。

在***后一篇论文中，研究团队通过对拟南芥的研究，解决了一个长期的难题：对植物叶片和其他组织进行单细胞分辨率的空间组学研究。他们证实，该技术能应用于植物学和作物育种的研究，帮助揭开抗旱、耐高温、耐盐作物背后的基因机制。

作为生命全景时空图谱的开端，这4篇论文共同展现了这一技术广阔的应用前景。值得一提的是，专题页面还展示了4篇预印本论文，其中就包括一张肿瘤发生过程时空图谱。我们期待，这项新技术将我们对生命演化与疾病机制的理解，推向全新的阶段。

DNA提取磁珠可以有效的从标本中提取基因组DNA、病毒DNA或游离DNA，采用化学合成的方法将四氧化三铁进行特殊的处理，使其粒径达到均一化分散，再通过特殊的材料进行官能基团（如硅羟基、羧基）的包覆。包覆官能基团后，磁珠具备了核酸吸附能力，配合核酸提取仪，可以自动化的提取DNA和RNA。

当身体的某个部位在受到伤害感到疼痛时，我们会本能地对它进行揉搓或按摩，以此减轻疼痛程度，这种现象被称为触摸介导的镇痛，这也是“闸门学说”形成的理论基础。对于触摸介导的镇痛机制，已有的研究认为，脊髓中的广动力范围（wide dynamic range, WDR）神经元能够同时接受来自脊髓背角的触摸和伤害性信号输入，可能是触摸介导镇痛的基础。而进一步在人身上的研究则表明，触摸介导的镇痛机制不止存在于脊髓层面，还与脊髓之上的大脑环路有关，包括大脑皮质等一些区域，然而目前尚不清楚哪些皮质区域会受到影响。

2022年11月16日，来自麻省理工学院麦戈文脑科学研究所的王帆教授团队在Science Advances杂志上发表题为“Somatosensory cortical signature of facial nociception and vibrotactile touch–induced analgesia”的文章，在该研究中，作者观察到小鼠胡须拂动产生触觉信号能够显著缓解面部疼痛，而阻断这一触觉信号传递所依赖的丘脑到桶状皮层（barrel cortex, S1B）环路，则导致该疼痛缓解作用消失。通过对S1B神经元的钙信号进行分析，作者发现胡须拂动改变了S1B神经元对痛觉信号的处理，并推动由伤害性刺激引起的神经状态向非伤害性的行为结果过渡。该研究表明，S1B整合了面部触觉和痛觉信号，实现了触摸介导的镇痛。

振动触觉信息主要由初级躯体感觉皮层（somatosensory cortex, S1）处理，但S1在痛觉中的确切作用仍有争议。啮齿类动物利用胡须作为它们面部主要的触觉传感器。在探索环境的过程中，啮齿类动物会通过不同频率的来回移动它们的胡须（这一过程被称为“拂动”）来收集不同环境下的感官信息。众所周知，S1B能够专门处理小鼠胡须产生的触觉信息，比如胡须接触到的物体的位置、大小和纹理等。相对而言，对于S1B是否以及如何处理面部的痛觉信息目前仍然知之甚少。

为了建立一个啮齿类动物的触觉镇痛模型，作者假设，小鼠胡须拂动可能会本能地抑 制面部在急性有害刺激下的痛觉感受，如果是这样，这将提供一个模型来研究S1B在触摸、痛觉以及它们相互作用的机制。在该研究中，作者验证了这一假设：小鼠自发的胡须拂动可以抑 制其胡须皮垫对伤害性的热或机械刺激的痛觉感受，该痛觉抑 制需要依赖胡须的存在，剔除胡须后单纯的面部肌肉运动无法缓解疼痛，表明胡须拂动产生的触觉信号对于面部痛觉的缓解十分关键。考虑到S1B是专门处理胡须触觉信息的脑区，而该区域是否能够感知痛觉信号仍然未知，因此作者利用宽场钙成像技术对小鼠大脑皮质表面进行了成像，证实S1B能够被相关的伤害性刺激所激活，表明S1B同样能够感知面部的痛觉信号。

图1.小鼠自发胡须拂动能够抑 制其面部痛觉感受

为了确定胡须拂动所产生的触觉信号是否真的能够缓解面部疼痛，作者考虑可以通过阻断这种纯触觉信号的传入并观察是否会消除这一痛觉抑 制来进行判断。由于丘脑腹后内侧核背内侧区（dorsomedial region of the ventral posterior medial thalamus, VPMdm）可专门将胡须衍生的触觉信息传递给S1B，并且由于表达于丘脑背侧的Netrin-G1蛋白（由Ntng1编码）可能作为丘脑轴突投射到S1的引导分子，为此作者首先检测了胡须拂动产生触觉信号是否需要依赖丘脑腹后内侧核（VPM）中表达Ntng1的神经元（VPMNtng1）。利用光纤记录技术（作者研究时采用RWD多通道光纤记录系统），作者观察到VPMNtng1神经元对非伤害性的吹气刺激的反应比对伤害性的热或机械刺激的反应要更为强烈，这与VPM主要传递触摸信号的作用相一致。结合行为学，作者观察到刺激引起的胡须拂动或者擦拭脸部行为均会增加VPMNtng1神经元群体活性。考虑到GCaMP信号衰减缓慢的特性，这些信号所呈现的是外部刺激与自发胡须拂动或擦拭行为的混合信号。为此，作者利用信号分离算法进一步提取了VPMNtng1神经元对于不同刺激（吹气、热和机械）或不同行为（胡须拂动或擦拭）的纯信号。正如预期那样，VPMNtng1神经元的活动主要由胡须拂动、擦拭脸部以及吹气刺激所主导，而对于伤害性的热或机械刺激的响应并不明显。这些结果表明，VPMNtng1神经元主要向S1B传递触觉信号，而非伤害性信号。并且作者在利用化学遗传学特异性抑制VPMNtng1神经元的活性后，小鼠胡须拂动所介导痛觉抑制也随之消失，这表明胡须拂动产生的触觉信号确实可以缓解面部疼痛。

图2. VPMNtng1神经元主要向S1B传递触觉信号，而非伤害性信号

为了进一步表征S1B神经元在痛觉信号处理中的作用，作者利用微型显微镜对小鼠S1B（L2/3层）神经元进行了在体钙成像。通过对S1B神经元的钙信号进行分析，作者将这些钙信号分解为感觉诱发的、胡须拂动引起的、以及擦拭脸部相关的反应。胡须拂动降低了S1B神经元对热和机械刺激的整体反应，使得S1B神经元不太可能对后续的伤害性刺激做出反应，这种由胡须拂动产生的前馈抑制有助于抑制S1B的痛觉感受。并且对S1B神经元群体活动的分析结果表明，胡须拂动通过促使S1B神经元的动力学向非疼痛状态迁移从而抑制小鼠的痛觉感受。

图3.胡须拂动能够降低S1B神经元对热和机械刺激的反应

综上，该研究建立了一个触摸介导的痛觉抑制的行为模型。利用该模型，作者证实小鼠自发的胡须拂动所产生的触觉信号可以减少面部的痛觉感受，这一效应依赖于触觉信号传递的VPMntng1- S1B通路。进一步的研究结果表明，胡须拂动使得S1B神经元对痛觉信号响应降低，促使其动力学特征向非疼痛状态转变，从而抑制疼痛反应。该研究结果支持S1B神经元对面部痛觉信号的感知，以及通过整合触觉和痛觉信号来缓解疼痛的作用。

研究方法亮点

这项工作揭示了S1B神经元在面部痛觉感受以及触摸介导镇痛中的作用。研究用到了脑立体定位手术、光纤记录、化学遗传学、在体钙成像、免疫组化以及行为学评估等实验技术。瑞沃德深耕生命科学研究领域20年，一直致力于为客户提供可信赖的解决方案和服务。在该研究中，研究人员采用了瑞沃德公司生产的光纤记录系统，为实验的顺利开展提供了助力。此外，瑞沃德还可提供该研究所涉及的脑立体定位手术、化学遗传学、在体钙成像、免疫组化以及行为学评估等实验的完整解决方案。截至目前，瑞沃德产品及服务覆盖海内外100多个国家和地区，客户涵盖全 球700+医院，1000+科研院所，6000+高等院校，已助力全 球科研人员发表SCI文章14500+，获得行业广泛认可。

论文原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn6530

文章概述

成年海马神经发生在记忆和情绪处理中起重要作用，海马新生神经元在DG中产生、成熟并整合到现有环路中，并且这个过程由神经环路的活动进行动态调节。目前的研究主要关注神经环路调控神经发生的某一阶段，例如干细胞分裂、神经前体细胞分化或者未成熟神经元存活等等。然而，目前尚不清楚对神经环路修饰的海马新生神经元对动物行为记忆的影响。

2022年5月6日，美国北卡罗来纳大学教堂山分校（University of North Carolina at Chapel Hill）宋娟课题组博士后李亚东、罗艳佳等人在Nature Neuroscience上发表了题“Hypothalamic modulation of adult hippocampal neurogenesis in mice confers activity-dependent regulation of memory and anxiety-like behavior”的最新研究，揭示了下丘脑后部核团乳头上核（SuM）调控成年海马神经发生，促进记忆提取和对抗焦虑的新机制。

核心观点

该研究聚焦于SuM-DG环路修饰的ABN及其发育的不同阶段，通过光纤记录、光遗传、化学遗传、膜片钳和谱系示踪等方法，揭示了SuM-DG环路修饰成年海马新生神经元，促进记忆提取和对抗焦虑。

研究结果分析

1. 作者以前的研究发现，SuM神经元投射密集支配DG中成熟的颗粒细胞（GC），但SuM-DG 投射是否与神经干细胞（rNSCs）形成功能连接尚不清楚。作者使用了共聚焦成像和3D重建方法，证明了SuM神经元与DG中rNSCs存在连接，通过膜片钳和光遗传技术表明SuM-DG投射谷氨酸能从而激活rNSCs并促进rNSCs分裂。

SuM-DG投射谷氨酸能激活rNSCs并促进rNSCs分裂

2. 为了研究环路修饰对海马神经发生的影响，作者通过谱系示踪、光遗传和化学遗传等方法，发现在神经发生起始阶段，SuM神经元通过谷氨酸能诱导rNSCs的活化，并促进rNSCs分裂产生新的rNSCs和神经前体细胞。

激活SuM神经元促进rNSCs和神经前体细胞的产生

3.接下来检测SuM GABAergic在新生神经元调节中发挥的作用。作者发现使用光遗传激活SuM GABAergic神经元能够促进神经前体分化，增加新生神经元数量并促进树突发育，敲除Vgat后该效应消失。结果表明SuM GABAergic传递调节神经干细胞分化和早期未成熟神经元发育。

SuM GABAergic传递调节神经干细胞分化和早期未成熟神经元发育

4.由于成熟的 GC 接收双 SuM GABAergic/glutamatergic输入，作者想知道成年新生神经元（ABN）是否也接收双输入。通过使用光遗传和膜片钳技术发现，DG中ABN接受GABAergic/glutamatergic双输入，且在ABN发育未成熟晚期阶段，光遗传激活SuM能够增加未成熟神经元、新生神经元以及树突棘的数量。结果表明SuM神经元促进晚期阶段成年新生未成熟神经元的成熟和树突棘发育。

SuM神经元促进晚期阶段成年未成熟神经元的成熟和树突棘发育

5. 已有研究ABN 活动对记忆和情绪行为至关重要，作者接下来检测ABN活性对动物行为学的影响。作者选择性激活SuM环路修饰的 ABN后进行新异位置识别（NPR）和场景性恐惧记忆（CFC）实验，结果发现NPR 测试中的辨别率和CFC中Freezing time增加，表明SuM 修饰的ABN的激活提高记忆性能。

激活SuM环路修饰的ABN改善记忆表现

6. 为了检测SuM修饰的ABN在调节情绪处理中的作用，通过光遗传和化学遗传分别调控SuM环路修饰的ABN，并分别进行了旷场、O迷宫和强迫游泳测试，结果发现，SuM环路修饰的ABN活动，可进一步促进记忆提取，对抗焦虑样行为。

SuM环路修饰的ABN活动可促进记忆提取和抗焦虑样行为

7. 有研究表明SuM 神经元的放电增加是对新异环境的反应，作者接下来检测新奇环境是否可以调节SuM-DG神经元的活动。使用光纤记录方法（瑞沃德R820三色多通道光纤记录系统）检测SuM-DG神经元投射的活性，结果发现在丰富环境（EE）中，小鼠SuM神经元活性显著增加。

瑞沃德R820三色多通道光纤记录系统

便捷高效 扩展性强

数据可视化 灵敏度高

SuM-DG神经元在EE中活性增高

8. 由于 SuM 神经元对新异环境具有高度反应性，作者接下来检测新异环境是否诱导这一反应所必需的。结果发现SuM 消融后，EE诱导的神经反应和ABN介导的行为改善被消除。

消融SuM后EE诱导的神经反应和ABN介导的行为改善被消除

总结

该研究解决了一个长期存在的问题，即刺激神经环路是否能够产生足够的神经源性效应来调节海马体依赖性行为。总的来说，本文发现了SuM-DG神经环路通过GABAergic/ glutamatergic输入调控海马ABN发育的全过程，并且提出了激活SuM-DG环路修饰的ABN能够调控记忆和对抗焦虑的重要观点。

光纤记录可以检测神经核团及环路的信号变化，有助于探究脑区上下游投射及神经元活性与行为学的关系。瑞沃德R820三色光纤记录系统兼具数据采集及数据分析功能，红绿荧光自由采集，同时兼具行为视频与荧光数据同步记录分析功能，让实验更为高效。

想更多了解瑞沃德R820三色光纤记录系统

识别下方二维码，即可申请免费试用

印度半岛碳循环之谜

The Mystery of the Indian peninsula's carbon cycle

随着全 球气候变化的日益严重，CO2排放已成为人们关注的焦点之一。了解CO2通量的分布和变化对于制定有效的环境保护政策具有重要意义。传统的观测方法存在着精度低、时间和空间分辨率不足等问题，如何提高观测精度成为了研究的重 点。

贝叶斯反演作为一种有效的数学方法，可以通过利用已知信息对未知参数进行推断，以揭示CO2通量的分布和变化。下面这篇论文的研究成果对于深入了解CO2通量的分布和变化，制定有效的环境保护政策具有重要的现实意义和应用价值，一起来看看！

揭示印度半岛碳循环之谜：

高分辨率贝叶斯反演揭示二氧化碳通量

工业时代以来，二氧化碳（CO2）浓度增加了近50%，主要归因于人类活动，尤其是化石燃料的燃烧。CO2对人为辐射强迫具有重要贡献。就过去10年国家尺度CO2排放量而言，印度排名第三，占全 球总量的7%。印度上空大气CO2的季节性变化主要受季风动力学导致的植被生长和运输的季节性变化所控制。然而，印度大气中CO2摩尔分数的精确测量是有限的。

基于此，在所附的文章中，来自印度的研究团队基于2017年-2010年印度半岛Thumba（8.5°N，76.9°E） ，Gadanki（13.5°N，79.2°E）和Pune（18.5°N，73.8°E）三个站点地面CO2高精度原位观测数据（Picarro G2401气体浓度分析仪）、用于反演的不同来源CO2先验通量（源自ODIAC的化石燃料排放、源自VPRM模型的大气-生物圈交换、源自GFED的野火排放、源自OTTM模型的海洋通量）、高分辨率拉格朗日粒子扩散模型FLEXPART（通过计算点、线、面或体积源释放的大量粒子的轨迹，来描述示踪物在大气中长距离、中尺度的传输、扩散、干湿沉降和辐射衰减等过程。该模式既可以通过时间的前向运算来模拟示踪物由源区向周围的扩散，也可以通过后向运算来确定对于固定站点有影响的潜在源区分布） ，通过贝叶斯模型反演了印度半岛的CO2通量。

在本研究中，Picarro G2401气体浓度分析仪用于测量Gadanki和Pune站的CO2混合比。测量间隔为2.5 s。在Gadanki站，使用外置真空泵和聚四氟乙烯管，以约400 SCCM流速，从树冠上方离地面约13米的建筑物顶部将环境空气引入Picarro分析仪。在Pune站，Picarro仪器安装在一座高层建筑顶部，使用外置真空泵和Synflex Decabon管将离地面约15米的环境空气输送至分析仪。两台仪器都定期使用NOAA的气瓶进行校准。

【结果】

（a）Thumba、（b）Gadanki和（c）Pune每周测量（青色）和模拟（橙色）的CO2混合比的时间变化。

(a) 先验通量，(b) 后验通量及其差异平均值。

【结论】

基于独立估计，印度半岛地区的CO2来源（3.34 TgC yr−1）比化石燃料和生态系统交换综合的来源略强。在季节尺度上，冬季、季风前、季风和季风后季节，印度半岛上空先验通量的通量修正分别为4.68、6.53、-2.28和4.41 TgC yr-1。该研究强调了使用贝叶斯法优化某个区域的地表CO2通量的重要性。强调在反演过程中需要考虑先前的通量不确定性和观测不确定性。反演实验中使用台站的CO2测量结果能够捕捉到印度半岛的足迹，有助于更好地限制反演中的通量。但也需要进行长期持续监测，以进一步降低估计通量的不确定性。

扫描二维码

查看原文