【科创热榜前沿科技周报】-107期转贴

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前沿科技盘点〔107〕丨全脑规模数字孪生脑平台发布，距离 “最强大脑”还远么？解锁生命时钟，西南大学团队发现长寿密码OSER1
原文链接：https://www.ncsti.gov.cn/kjdt/zt ... 0240903_177643.html

数字孪生脑，一个充满无限可能的概念，作为人脑“备份”或克隆体，让我们能够更深入地了解人类大脑的运作机制。近期，复旦大学类脑智能科学与技术研究院冯建峰团队发布了数字孪生脑平台，这是国际上首个基于数据同化方法开发的具备860亿神经元规模、百万亿突触的全人脑尺度大脑模拟平台。

科学家一直在寻找让人类延年益寿的方法，西南大学研究人员最近发现了一个神奇的基因将有助于揭开这个谜底。该校资源昆虫高效养殖与利用全国重点实验室教授代方银团队联合国外专家研究发现调控寿命的新基因OSER1，并在家蚕、线虫、果蝇等多物种中研究揭示了其作用机制。作为长寿基因FOXO（叉头框蛋白O）的靶基因，OSER1对寿命的影响得到人类受试者研究结果支持。

基于国际科技创新中心网络服务平台科创热榜每日榜单形成的一周科技记忆，我们推出《一周前沿科技盘点》专栏。今天，为大家带来第107期。

1《National Science Review》丨全脑规模数字孪生脑平台发布，距离 “最强大脑”还远么？

数字孪生脑示意图：通过计算系统模拟生物大脑的结构与功能

数字孪生脑是利用和借鉴数字孪生技术，通过逆向工程技术构建生物大脑的数字副本，“破译”脑在信息处理与神经编码原理的方式，实现从结构仿脑到功能仿脑。数字孪生脑，这个充满无限可能的概念，作为人脑“备份”或是克隆体，让我们能够更深入地了解人类大脑的运作机制。

2023年底，美国国家科学院发布了关于发展数字孪生的整本白皮书， 其中关于数字孪生原文链接：脑的研究内容就占了1/3，提出了从人脑实验数据结合方式来验证和研究大脑智能的机理。欧共体也在人脑计划结束之后启动了EBRAIN，并于2024年开始了一千万欧元资助的虚拟脑孪生的项目。

近期，复旦大学类脑智能科学与技术研究院冯建峰团队发布了数字孪生脑（Digital Twin Brain：DTB）平台，这是国际上首个基于数据同化方法开发的具备860亿神经元规模、百万亿突触的全人脑尺度大脑模拟平台。数字脑在50亿神经元规模（相当于猕猴大脑神经元规模）的大模型上，会逐渐展现出类似在人脑中观测到的临界现象与相似的认知功能。目前，团队已经完成了860亿神经元、总突触47.8万亿的全脑模型的形态模拟计算。该数字孪生脑平台可用于进行数字实验，探索和验证神经科学理论、大脑智能机理，推动人工智能取得更大的突破。

原文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwae080

2《Nature Communications》丨解锁生命时钟，西南大学团队发现长寿密码OSER1

OSER1参与寿命调控的作用机制图示

科学家一直在寻找让人类延年益寿的方法，西南大学研究人员最近发现了一个神奇的基因将有助于揭开这个谜底。该校资源昆虫高效养殖与利用全国重点实验室代方银团队联合国外专家研究发现调控寿命的新基因OSER1，并在家蚕、线虫、果蝇等多物种中研究揭示了其作用机制。OSER1作为长寿基因FOXO（叉头框蛋白O）的靶基因，其对寿命的影响也得到人类受试者研究结果的支持。

叉头框蛋白O是已知的人类长寿基因之一，通过调节与衰老相关的途径影响寿命，但其靶点尚不清楚。研究显示，叉头框蛋白O在不同模式动物间的二级结构具有较高保守性，为利用家蚕等筛选寿命调控靶基因提供了依据。

研究团队利用线虫高效干涉平台，对家蚕中叉头框蛋白O的42个潜在直接靶基因在线虫中的直系同源基因进行干涉实验，发现OSER1基因表达降低后，线虫寿命显著缩短。进一步研究显示，在家蚕、线虫和果蝇中，提高OSER1表达后，3个物种的寿命均显著延长。分子生物学实验表明，OSER1是叉头框蛋白O的直接靶基因，能够响应过氧化氢诱导的氧化应激，并通过提升机体氧化应激防御力发挥延长寿命的作用。

团队进一步研究发现，90岁以上的长寿老人与年轻对照组相比，检测到OSER1基因中存在49个常见单核苷酸变异，其中7个与长寿显著相关。

这项研究不仅为理解寿命调控提供了新的视角，也为开发新型抗衰老药物提供了新的靶点。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51542-z

3《Nature Electronics》丨通用伊辛机芯片问世，大幅提升组合优化问题求解速度

通用伊辛机应用效果

伊辛机是一种用于求解组合优化问题的退火处理器。它通过在芯片中模拟伊辛图所代表的物理模型演化来实现对组合优化问题的求解。伊辛机芯片在求解最大割、图着色、电子设计自动化（EDA）等领域的组合优化问题中有很大潜力。这些问题的解决对于提高生产效率、降低能耗等具有重要意义。

北京大学深圳研究生院信息工程学院/广东省存算一体芯片重点实验室杨玉超课题组与北方集成电路技术创新中心（北京）有限公司合作开发了40nm制程嵌入式忆阻器工艺，并设计研发了基于该工艺的忆阻器芯片。他们首次提出了一种基于存内计算、以连接为中心的通用伊辛机。具体来说是使用粗粒度稀疏矩阵行压缩方法压缩伊辛图的邻接矩阵，使其能够更高效地部署于忆阻器存内计算核心中。该技术在映射伊辛图时以节点之间的连接关系为中心进行存储，解决了原有伊辛机只能支持特定图结构的问题。

研究团队发现，利用该芯片的伊辛机在最大割问题求解中相比于GPU可以达到4.56—7.32倍加速，他们在图着色问题求解中达到442—1450倍加速，在能效方面相比通用GPU可以实现4.1105—6.0105倍提升。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-024-01228-7

4《Advanced Materials》丨超声医学科与高分子工程联手，打造人工噬菌体对抗超级细菌

抗生素耐药病原体的出现和蔓延被确认为全球公共卫生危机，其中约80%的顽固和难治性感染与生物膜形成密切相关。相较于浮游细菌，生物膜含有密集的胞外多聚物屏障和富含酸度和H2O2的生物膜微环境，可以有效保护细菌免受宿主免疫防御的攻击，并阻碍抗菌剂的渗透。此外，生物膜可以改变包裹细菌的表型并刺激持久性细菌的形成，从而给目前的抗菌治疗带来了巨大的挑战。因此，迫切需要创新策略来实现BME自适应的全阶段根除耐药细菌生物膜。

四川大学华西医院超声医学科邱逦与高分子科学与工程学院程冲医工交叉团队合作，构建了一种尖刺状Ir@Co₃O₄（S）人工噬菌体，可以协同根除抗生素耐药性生物膜，同时实现高效的生物膜积累、EPS渗透和卓越的BME自适应ROS生成。该研究受噬菌体生物结构和功能的启发，他们提出的“穿透和根除”治疗策略为推进顽固性感染伤口的治疗和其它抗生素耐药性生物膜感染相关疗法提供了一条新的途径。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202404411

5《Advanced Science》丨活性湍流：微小生物如何与湍流相互作用，形成一个新世界？

在不同厚度样品中测得的细菌湍流（上排），与对应流场（下排），颜色代表涡度。

湍流是一种流体运动形态，其特点是流速、压力和温度等物理量在空间和时间上具有随机性和不可预测性。在自然界和工程应用中，湍流无处不在。而活性湍流作为一种全新的湍流形态逐渐进入到科学家的视野中。活性湍流由能够自主运动的微小生物或颗粒组成，如分子马达、细菌、上皮细胞和自驱动胶体粒子等。与传统流体不同，活性流体由于组成单元的活力、动力构型、几何性质、相互作用不同，往往具有迥异的性质。活性湍流可以出现在低雷诺数流体——这一传统上不能形成湍流的环境下；因此，它们展现出与传统湍流截然不同的属性：自下而上的自组织行为和能量从个体注入的方式。对于传统湍流而言，其所处维度是其最本质的属性之一，决定了它的动力学和统计行为。那么对应地，活性湍流对维度依赖性如何呢？

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心彭毅团队和中国科学院理论物理研究所孟凡龙团队合作，回答了上述问题。他们通过开发高通量的实验方案，实现了对限域尺度的精确调控，还在同一块样品的不同成像平面内获得了高质量的流场测量。

通过理论与实验的紧密结合，研究团队发现，活性湍流从二维到三维的转变是由个体大小、集群尺寸、限域尺度三者之间的竞争共同决定的。在这场竞争中，存在两个临界尺度。该研究通过设计、优化统计量，同时在实空间、波数空间这对共轭空间中，确认了这些临界尺度。其工作详细描绘了二维和三维活性湍流的特征，并通过一个简洁有效的流体力学理论框架，为活性湍流的维度相变提供了一个通用性的解释。

原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202402643

6 用太赫兹波“看”文物，他们是科学家也是艺术“侦探”

在文物保护与现代科学的交汇点上，核心挑战在于既要精确捕捉文物的制造时期、成分结构等多元化信息，又要竭力维护其物理与化学完整性。随着X射线、红外线等前沿无损检测技术突飞猛进，科研人员致力于在无损条件下，实现文物表层如颜料、涂层等细节的全面、整体且原位的解析，这一新兴探索方向正引领着文物保护技术迈向新的高度。

近年来，电子科技大学太赫兹科学技术四川省重点实验室与浙江大学艺术与考古学院、四川省文物考古研究院、三星堆博物馆开展合作。该校的胡旻和研究团队基于考古需求开拓太赫兹技术新的应用场景，创制了国内首台基于大功率辐射源的太赫兹散射式扫描近场显微系统。

与紫外、红外光相比，太赫兹辐射（频率在 0.1~10THz，波长在3 ~0.03mm之间的电磁波）对很多介电材料和非极性的物质具有一定的穿透性，而且对金属物体具有强烈的反射性。而且太赫兹辐射的光子能量只有X射线的万分之一，对人体无伤害，更不会引起电离反应、破坏文物。此外，相较于X射线，太赫兹对物体分层较为敏感。太赫兹脉冲辐射拥有皮秒级脉宽，能有效地进行时间分辩研究。无需切开文物，研究者可根据不同物质层次间反射回的信号，获得内部层位信息实现层析成像。此外，太赫兹波的频段覆盖了大量物质分子的转动能级与振动能级，不同的物质分子在太赫兹光谱上所呈现的吸收特征也不一样，具有指纹般的唯一性。

研究团队通过引入近场技术，将太赫兹系统与原子力显微镜结合，利用原子力纳米级针尖将样品表面太赫兹近场散射出来，从而实现样品的太赫兹近场成像，分辨率可以达到纳米级别。基于该技术，团队实现了太赫兹成像纳米级分辨率，甚至能“看到”单个蛋白质、单细胞、细菌对太赫兹的响应，为生物学领域提供一种全新的细菌辨识方法。

攻克太赫兹频段近场显微系统后，胡旻和团队也在从系统研发向产业化迈进。同时，他们将利用更高分辨率的太赫兹成像技术手段，继续推进文物保护工作。除了对三星堆相关出土文物进行无损检测外，还计划针对文物颜料成分老化过程进行监测研究，为文物还原修复提供技术支持。（专栏作者 李潇潇）