“拉索”探测到脉冲星弓形激波尾部超高能辐射

国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站“拉索”（LHAASO）以高显著性探测到脉冲星PSR J1740+1000的弓形激波脉冲星风云尾部区域的超高能伽马射线辐射，首次发现弓形激波脉冲星风云尾部的伽马射线辐射。这对弓形激波脉冲星风云尾部的粒子输运机制提出了挑战，预示着尾部区域存在强劲的粒子加速过程。2月7日，相关研究成果发表在《创新》（The Innovation）上。该工作由中国科学院高能物理研究所牵头的“拉索”国际合作组完成。 脉冲星PSR J1740+1000是远离银河星系盘的孤立脉冲星，距离地球4500光年，特征年龄11万年，是中年脉冲星，在X射线波段清楚观测到弓形激波造成的“彗星”形状。科研人员基于“拉索”1200天以上的观测数据，在远离该脉冲星约16光年处发现一个点状超高能伽马射线源（“拉索”源），显著性达到17倍标准偏差。这一测量结果排除了大尺度伽马射线晕的存在，说明并非所有的中老年的脉冲星均会形成可观测的伽马射线晕，而是可能与其所处的周围环境相关。同时，排查发现，“拉索”源附近不存在其他已知的天体可加速高能粒子。但是，“拉索”源恰好处在脉冲星PSR J1740+1000的弓激波风云尾部的延长线上，提示形激波脉冲星风云尾部区域可以产生超高伽马射线辐射。研究表明，探测到的伽马光子最高能量超过三百万亿电子伏，说明弓形激波脉冲星风云尾部或具有加速拍电子伏粒子的能力。 此次发现是“拉索”在伽马射线天文研究方面取得的又一重要成果。 研究工作得到国家自然科学基金等的支持。 “拉索”探测到的弓形激波脉冲星风云尾部再加速粒子产生的超高能伽马辐射示意图

“天关”卫星捕捉到罕见的X射线双星系统

2024年5月27日，“天关”卫星搭载的宽视场X射线望远镜在邻近星系即小麦哲伦云内，捕捉到来自一对罕见天体的短暂且高能量的X射线辐射事件，并利用搭载的后随X射线望远镜进行定向观测，获取了源爆发期间更详细的X射线信息。这一发现为探索大质量恒星的相互作用与演化开辟了新途径，印证了“天关”卫星在捕捉宇宙中转瞬即逝的新型X射线源方面的能力。2月19日，这一成果作为欧洲航天局首篇基于“天关”卫星数据主导的论文，发表在《天体物理杂志快报》（Astrophysical Journal Letters）上。 该天体组合由一颗质量为太阳12倍的Be型大质量恒星和一颗质量与太阳相当的白矮星组成。这种罕见的双星系统在科学界颇为少见。此次观测是科学家首次全程追踪该类系统从X射线爆发到逐渐消退的全过程。 在观测过程中，“天关”卫星的发现触发了美国航空航天局Swift和NICER X射线望远镜对该天体的联合观测。欧洲航天局XMM-牛顿望远镜在18天后进行后续观测。科学家通过分析不同波长的X射线变化以及爆发物质中的氮、氧和氖等元素，确认了这对天体的真实身份。 科学家推测，这对双星最初由两颗质量较大的恒星组成，经过复杂的物质交换演化成如今的Be星和白矮星。白矮星通过强大的引力从Be星吸取物质，进而引发这次短暂而明亮的X射线爆发。 “Be星与白矮星双星系统的爆发极为罕见，它们最适合用低能X射线进行观测。EP的问世为我们提供了独特的机会，让我们能够捕捉到这些稍纵即逝的天体源，并检验我们对大质量恒星演化的理解。”欧洲航天局“天关”卫星项目科学家Erik Kuulkers表示，“这一发现充分展示了该卫星的变革性的探测能力。” “天关”卫星首席科学家袁为民表示，“‘天关’卫星的成功国际合作提升了中国在国际空间科学领域的影响力，为全球天文学研究提供了重要的X射线数据支持，有力推动了高能时域天文学的观测与研究发展。” “天关”卫星捕捉到奇特的双星系统发出的X射线。 该系统由一颗比太阳大10倍以上的炽热大恒星和一颗质量与太阳相当的小型白矮星组成。

研究揭示人类大脑皮层的复杂布局

人类大脑皮层在功能和结构上表现出空间异质性，其形成过程受到遗传因素和神经连接模式的共同调控。遗传因素通过调控神经发育过程中信号分子和转录因子的梯度，推动皮层区域分化。同时，皮层不同区域之间的连接模式反映脑区在功能和结构上的差异，成为识别脑区边界的依据。脑连接模式可应用于脑网络组图谱绘制，为探讨皮层区域化提供线索。目前，尚不清楚基因表达梯度如何影响皮层下白质纤维的连接布线及其与脑区空间分布的内在关系。 近日，中国科学院自动化研究所科研人员揭示了人类大脑皮层连接拓扑结构与遗传特性的内在关系。该研究提出了一种假设：考虑到基因和连接在数目上存在差异，遗传编码与区域间连通性之间并非简单的一一对应关系，而是通过某种更高效的组织原则，使基因在大脑皮层上呈现特定的嵌入模式，从而指导白质纤维束在空间中的布线。研究通过对人类连接组学数据和遗传学数据的综合分析，发现了背腹轴、前后轴和内外轴三种主导的脑连接拓扑轴。这三个轴反映了皮层内连接的变化规律，且与胚胎期发育中的形态发生梯度和遗传梯度相关。 人脑在胚胎发育时便已按照某种“设计图”建造，而设计图的“蓝图”正是基因。该研究利用弥散磁共振成像技术，构建出脑区间的连接图，并发现脑内的连接并非随机分布而是按照三种主要的拓扑轴分布——背腹轴（从上到下）、前后轴（从前到后）和内外轴（从内到外）。这三种轴像是脑内连接布线的“主干道”，将不同功能的脑区配置于大脑皮层。研究发现，基于这三种拓扑轴，可将大脑皮层进行具有生物意义的脑区划分；若引入更多维度的连接拓扑轴，可识别出大脑皮层的精细脑区。这为团队早期提出的“基于脑连接信息进行脑区划分并绘制脑图谱”研究框架提供了证据。 进一步，该研究剖析了基因与脑连接之间的关系，发现了复杂脑连接空间布局在较大程度上受到基因的影响。人脑基因表达数据分析发现，某些关键基因在特定脑区有更高表达，且这种空间差异性与脑连接的空间拓扑分布相关。 该研究聚焦于FGF8、PAX6和WNT3等关键形态发生原相关基因发现，这些基因在胚胎期表达活跃，通过调控信号传导通路，影响脑区分化和神经元连接模式。值得注意的是，这些基因在成年后仍继续影响脑的结构和功能，并在连接多个脑区的过程中发挥“幕后推手”的作用。这为探讨复杂的人类大脑背后的组织规则提供了新视角。 这一研究定义了全脑尺度的脑连接模式即“全局连接拓扑”（Global Connectopy），发现了其与基因表达之间存在显著吻合。这种吻合表明，尽管基因数量与神经连接数量相差悬殊，但基因可以通过某种简单的规则影响复杂的连接布局。由此，研究推测，这些规则或是“梯度驱动”的模式，即基因通过空间梯度的方式引导脑连接精准布线。也就是说，大脑的组织方式遵循了一套由基因定义的“隐形规则”。 上述成果有助于研究大脑的功能分区以及遗传对大脑组织规律和功能的影响，并为探究大脑皮层的区域分化、功能整合和神经环路的形成提供新的理论框架。同时，这一成果可以为探索神经发育障碍和脑疾病的遗传机制提供新线索。 相关研究成果以Topographic Axes of Wiring Space Converge to Genetic Topography in Shaping Human Cortical Layout为题，发表在《神经科学杂志》（Journal of Neuroscience）上，并被专栏报道。研究工作得到国家科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目和国家自然科学基金等的支持。                                                                                          研究框架图 全局连接拓扑空间GC space

研究破解细胞凋亡新机制

2月13日，中国科学院广州生物医药与健康研究院副研究员孙益嵘团队和美国加州大学洛杉矶分校科研人员合作，在《细胞死亡和分化》（Cell Death & Differentiation）上发表了题为STING directly interacts with PAR to promote apoptosis upon acute ionizing radiation-mediated DNA damage的研究论文。该研究证实了干扰素基因刺激因子（STING）蛋白可以通过全新路径（PARP1-PAR-STING）促进细胞凋亡。 该团队通过体内和体外实验研究了STING如何响应DNA辐射损伤，发现了辐射导致的DNA损伤可以激活PARP1蛋白，诱导多聚核糖（PAR）过度合成，进而触发STING蛋白介导的细胞死亡。研究显示，对于STING基因缺陷的小鼠，对其腹部辐射后，相对于正常小鼠，存活率提升5倍，即从11%跃升至67%，肠道病理损伤显著减轻。研究通过给予低剂量的PARP1抑制剂PJ34来下调PAR合成，可以抑制STING激活，并可以观察到类似于在STING基因缺陷小鼠中观察到的现象。这揭示了PARP1-PAR-STING通路在辐射诱导的细胞凋亡途径中的关键作用。 上述研究是对STING响应DNA损伤机制的全新认识，证明STING响应DNA损伤可不依赖于cGAMP而是直接与DNA损伤诱导的高浓度PAR相互作用，为抗辐射损伤提供全新思路。 研究工作得到天津市合成生物学重大专项、广东省自然科学基金的支持。 论文链接：STING directly interacts with PAR to promote apoptosis upon acute ionizing radiation-mediated DNA damage | Cell Death & Differentiation (nature.com) PARP1-PAR-STING介导的细胞凋亡模式图

科学家发现家牛杂种优势预测新标记

杂交育种技术广泛应用于农业生产领域。这一技术通过引入遗传关系较远的亲本开展杂交，在杂交后代中实现优于亲本的生产性能。然而，杂种优势的遗传机制复杂，优势预测是亟待突破的技术。同时，杂交育种需要克服和排除杂种劣势的影响。 动物细胞中的线粒体DNA（mtDNA）和核基因组遵循不同的遗传模式。线粒体与细胞核之间的相互作用是维持线粒体功能的关键。远缘物种之间的杂交干扰杂交子代中mtDNA与核基因组之间的相互作用，影响线粒体电子传递呼吸链的组装与功能，导致繁殖力、生产性能、生长发育、环境适应能力下降等杂交劣势现象，表现为核质不兼容。目前，协调杂交后代的mtDNA与核基因组之间的匹配是进化生物学研究领域的热点。 中国科学院院士、昆明动物研究所研究员张亚平团队联合国内外畜牧研究团队，选取家牛杂交育种广泛采用的普通牛和瘤牛杂交体系为研究对象，以核质互作为切入视角，分析了近1000份家牛基因组数据，揭示了杂交群体中mtDNA与核基因组相互作用的动态规律。研究发现，在非洲杂交家牛群体中，mtDNA全部来自普通牛，核基因组主要来自瘤牛，表现为mtDNA与核基因组明显不匹配。研究显示，选择作用不断清除非洲家牛核基因组中的普通牛组分，增加了mtDNA与核基因组之间不匹配程度，减弱了核质互作，或对线粒体的组装与功能产生不利影响。同时，研究发现，选择作用通过富集瘤牛组分，影响线粒体相关的基因表达，提升线粒体拷贝数，改善线粒体功能并缓解和补偿削弱的线粒体-细胞核相互作用。 该研究提出了核质互作进化中通过改变线粒体数量的新型核基因补偿机制，表明mtDNA拷贝数可作为预测杂交优势或劣势的新型分子标记。 相关研究成果以Selection increases mitonuclear DNA discordance but reconciles incompatibility in African cattle为题，发表在《分子生物学与进化》（Molecular BiologyEvolution）上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部和中国科学院的支持。 论文链接：https://academic.oup.com/mbe/advance-article/doi/10.1093/molbev/msaf039/8005707?login=true 核补偿机制通过调控核基因的表达水平缓解核质不相容 家牛群体mtDNA拷贝数的动态变化规律，可作为杂种优势预测的新型分子标记

研究揭示杏仁核皮质区在塑造社会交往中的关键作用

攻击行为在进化中是一种保守行为，有助于动物保护有价值的资源，如食物、领土、配偶和幼崽等。通常，攻击行为由欲求阶段和满欲阶段组成。小鼠中，欲求阶段涉及接近和探嗅目标动物，而满欲阶段涉及一系列运动行为如咬、踢或摔跤。先前研究已确定下丘脑、僵核、后侧杏仁核和后侧无名质等几个脑区的调控影响攻击行为，但攻击行为的欲求阶段和满欲阶段之间过渡的神经机制尚无报道。 2月12日，中国科学院生物物理研究所李龙研究组与美国西奈山伊坎医学院Scott Russo课题组，在《自然》（Nature）上，发表了题为A crucial role for the cortical amygdala in shaping social encounters的研究论文。该研究揭示了杏仁核皮质区雌激素受体α神经元在调控攻击行为和亲社会行为之间的转变中的重要作用。 该研究利用Swiss-Webster小鼠品系，通过“居民-入侵者”行为范式，筛选出一些高攻击性小鼠和无攻击性小鼠。进一步，研究建立了一套新型检测攻击欲望和攻击奖赏的行为范式，利用改造过的斯金纳箱训练小鼠学会按压杠杆，打开一道电动门，得到攻击其他小鼠的机会并对目标小鼠实施攻击。研究发现，Swiss-Webster小鼠热衷于上述操作，提示其具有极强的攻击欲望，且该攻击欲望得到满足后会形成明显的攻击奖赏加强，具体表现为按压杠杆频率急速增加、实施攻击的潜伏期迅速降低以及攻击时间明显增长。 该研究采用全脑透明化技术和c-Fos神经元标记方法，分析出在攻击行为中可能发挥关键作用的核团-后外侧杏仁核皮质区（COApl）。荧光原位杂交实验及光纤记录神经元活动发现，COApl中表达的雌激素受体α神经元（COAplEsr1）在雄性小鼠中表征了攻击行为的欲求阶段和满欲阶段之间的过渡。 上述研究表明，在具有攻击性的雄性小鼠中，COAplEsr1神经元能够特异性响应社交信息刺激并促进攻击行为发生。 论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08540-4 左图：攻击奖赏训练范式；右图：调控COAplEsr1神经元导致攻击能力降低，社交行为增加

【科技日报】水下中微子望远镜探测器单元样机布放任务完成

记者2月5日从中国科学院高能物理研究所获悉，来自该所、中国海洋大学和中国科学院声学研究所等单位的科研人员，日前在南海顺利完成高能水下中微子望远镜（HUNT）探测器单元样机的布放任务。这些探测器单元样机被精准投放至1600米水深处的预定点位，并接入国家重大科技基础设施海底科学观测网—南海海底观测子网的电路与网络系统，实现稳定正常运行。 高能水下中微子望远镜的构想由中国科学院高能所科研团队提出，计划建在千米以下的水底，旨在探测能量在十万亿电子伏特以上的中微子。中国科学院高能物理研究所科研团队原创设计了探测器单元方案，历时两年成功研发新型探测器单元，并于2024年3月在贝加尔湖布放12个探测器单元样机，完成实地论证。此次布放的探测器设备包括4个新型探测器单元和1个LED光源刻度单元等。 “此次全尺寸探测器单元样机在我国南海的投放工作，为高能水下中微子望远镜项目在我国南海的预研筑牢了根基，也为今年样机阵列的实施提供了有力技术支撑。”中国科学院高能物理研究所研究员陈明君说，“高能水下中微子望远镜探测器样机阵列将覆盖约600平方公里海域，预期两年内观测到中微子天体点源，十年内发现数十个中微子天体，从而引领中微子天文学发展。” （原载于《科技日报》 2025-02-11 第05版）

新型单细胞谱系追踪技术问世

近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院彭广敦研究团队开发出新型单细胞谱系示踪技术（DuTracer）。这一技术通过巧妙结合CRISPR-Cas9和Cas12a两种基因编辑工具，提升了细胞谱系追踪的精度和深度，为解析胚胎发育、器官再生和疾病机制提供了新工具。相关研究成果发表在《细胞报告》（Cell Reports）上。 生物学中，细胞谱系示踪类似于绘制细胞家族树，来追溯细胞从起源到分化的完整历程。传统方法因技术限制致使信息记录不全，而基于CRISPR的基因编辑技术提高了分辨率，却存在靶点间大片段删除难题，如同在记录家族历史时丢失关键代际信息。   DuTracer的创新之处在于同时利用Cas9和Cas12a两种核酸酶，并通过控制它们的激活时间，避免多靶点同时编辑引发的干扰。实验显示，该技术在小鼠胚胎干细胞和类器官模型中降低了90%以上的有害删除事件，且记录的细胞分裂层级更深，能够更精准地还原细胞分化路径。 该研究在HEK293T细胞和小鼠胚胎类器官中验证了DuTracer的性能。结果显示，该技术能够清晰区分心脏细胞的不同起源如第一心域和第二心域，并可以揭示神经中胚层前体细胞的分化偏好性。 DuTracer为单细胞水平的谱系追踪设立了新标准。同时，这一技术适用于胚胎发育研究，并有望用于解析癌症转移、器官再生等复杂过程。 研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等的支持。 论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211124724014566 DuTracer设计及其在类器官中的应用示意图

研究破解耳蜗听觉毛细胞发育“基因密码”

1月31日，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心刘志勇研究组在《科学》（Science）上在线发表了题为Casz1 is required for both inner hair cell fate stabilizationouter hair cell survival的研究论文。该研究报道了锌指转录因子Casz1在听觉毛细胞命运稳定与生存维持中的双重作用，解析了Casz1发挥功能的分子机制，为研究基因操纵修复听觉损伤提供了新的思路和靶点。 哺乳动物的声音感知依赖于耳蜗中的内毛细胞和外毛细胞两类听觉毛细胞。它们顶部均具有纤毛结构，声音振动使纤毛发生偏转并激活外毛细胞和内毛细胞。其中，外毛细胞通过改变其细胞长度以发挥声音放大器的作用；内毛细胞则是主要的声音感受细胞，与螺旋神经节形成突触连接。全球约有1/5人群受到不同程度听力损伤，遗传突变、噪音和耳毒性药物等导致的听觉毛细胞死亡是感音性耳聋的重要因素之一。然而，哺乳类动物不具备再生修复听觉毛细胞的能力。因此，研究外毛细胞和内毛细胞命运决定和维持存活的分子机制，对帮助耳聋患者恢复听觉功能具有重要的临床意义。 近年来的研究发现，Tbx2是内毛细胞命运决定、分化和命运维持的关键转录因子，而Insm1和Ikzf2对于外毛细胞的命运维持、存活和功能至关重要。当前，耳蜗前体细胞最终如何发育为外毛细胞和内毛细胞的精确基因调控网络尚不清楚。该团队分析了外毛细胞和内毛细胞的显著差异表达基因，发现了物种间保守的锌指转录因子Casz1。Casz1在胚胎晚期至成年内毛细胞中一直高表达，却只在胚胎晚期和幼年期外毛细胞中瞬时表达。 该研究通过分析条件性Casz1敲除小鼠发现，在胚胎期缺失Casz1后，内毛细胞可以正常产生，但其细胞命运状态变得不稳定，开始表达外毛细胞基因并逐步下调内毛细胞基因，完成内毛细胞向外毛细胞的命运转变，产生一类外毛细胞样细胞。同时，研究显示，出生后条件性敲除Casz1，内毛细胞发育不受影响或影响甚微。这表明，Casz1的核心作用在于胚胎阶段，如同“守护者”一般，确保内毛细胞命运不偏离轨道，防止其转变为外毛细胞。在外毛细胞中，Casz1的主要任务是维持内毛细胞存活，发挥着不同作用。尽管失去Casz1的外毛细胞能够完成早期发育，但随着小鼠成长至成年，这些细胞开始死亡。由于外毛细胞和内毛细胞异常，条件性Casz1敲除小鼠表现出严重的听力障碍。 为探讨Casz1调控听觉毛细胞发育的分子机制，该研究借助全长单细胞转录组分析技术，解析缺失Casz1后外毛细胞和内毛细胞的基因表达变化。进一步，研究通过遗传学回补实验确认转录因子Gata3是Casz1的重要下游效应分子。研究显示，Gata3在Casz1-/-内毛细胞中显著下降，在Casz1-/-小鼠中回补Gata3, 可抑制Casz1-/-内毛细胞的异常和缓解外毛细胞的死亡表型，实现Casz1-/-小鼠听觉功能的部分恢复。 研究发现，Tbx2在内毛细胞分化中发挥重要作用，而Insm1在外毛细胞分化早期发挥作用。因此，研究通过小鼠体内遗传学实验证明，Tbx2对Casz1发挥上位调控作用，过表达Tbx2能够彻底阻止Casz1-/-内毛细胞向外毛细胞转分化。进而，研究表明，Casz1-/-内毛细胞向外毛细胞转变的过程不依赖于Insm1，提示Casz1敲除介导的内毛细胞向外毛细胞的转分化过程不一定完全重复外毛细胞正常的发育轨迹。 该团队通过单细胞转录组、电生理记录、电镜、细胞功能分析和小鼠遗传学模型等技术，首次解析了Casz1在听觉毛细胞中的双重作用，揭示了Tbx2-Casz1-Gata3转录调控通路参与早期内毛细胞的命运稳定，发现了Casz1在纤毛发育和外毛细胞存活中重要作用。这一成果为基础听觉科学研究领域增添了重要一环，为未来促进听觉毛细胞再生与纤毛功能恢复提供了潜在基因靶点，有望推动听觉毛细胞损伤基因治疗领域的发展，为听力障碍患者带来治疗新思路。 研究工作得到科学技术部、国家自然科学基金委员会、中国科学院及上海市的支持。 论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado4930                                                                         耳蜗听觉上皮柯蒂式器及纤毛结构 Casz1在耳蜗听觉毛细胞发育中的表达特征及功能 耳蜗听觉毛细胞发育的基因调控机制示意图

全超导托卡马克装置实现亿度千秒高约束模等离子体运行

1月20日，位于合肥科学岛上的全超导托卡马克EAST装置获得重要成果，成功实现了上亿度1066秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，再次创造了托卡马克装置高约束模运行新的世界纪录。亿度千秒量级稳态高约束模的实现，充分验证了聚变堆高约束模稳态运行的可行性，是聚变研究从基础科学研究迈向工程实践的重要进展，把聚变能源的研发进程往前推进了一大步，对聚变堆的建设和运行具有重要意义。 高约束运行模式因其效率高、经济性强，是未来聚变实验堆和工程堆稳态运行的基本模式。高约束模面临的最大挑战是高约束条件下边缘局域模引起的等离子体边缘区温度、密度台基的突然崩塌，该过程释放的强脉冲热流会导致偏滤器热负荷过载、靶板材料溅射损伤，大量杂质进入芯部等离子体引起大破裂，在实验装置上实现长脉冲稳态高约束模挑战大、难度高。正在开展的第22轮物理实验中，中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所EAST大科学团队瞄准托卡马克稳态高性能等离子体前沿物理研究，解决了等离子体芯部与边界的物理集成、等离子体与壁相互作用、高功率加热系统注入耦合、第一壁材料排热、精密控制、实时诊断、主动冷却等系列前沿物理和工程技术问题，实现了超过1亿度1066秒的高约束模等离子体运行。 EAST装置自2006年建成运行以来，等离子体运行次数超过15万次，通过开放共享的建制化管理模式，在稳态等离子体运行的工程和物理上持续保持国际引领。就长脉冲高约束模运行而言，先后跨越60秒、100秒、400秒等重要里程碑，始终不断突破自我、挑战极限，冲击更高参数的长脉冲高约束模等离子体运行。2012年实现30秒高约束模，2016年实现60秒高约束模，2017年实现101秒高约束模，2023年实现403秒高约束模，2025年实现1066秒高约束模。 世界首个全超导托卡马克装置EAST 实现亿度千秒高约束模等离子体运行