2007年度中国基础研究十大新闻简介(2)

http://www.sina.com.cn 2008年02月20日 10:38  科技日报

  揭示出多巴胺—蘑菇体环路在果蝇基于价值抉择中的调控作用

  抉择是脑的高级认知功能之一,是基于知识和经验、权衡利弊得失,从可供选择的全部可能性中实现价值最大化、损失最小化的能力。传统认为,抉择可能是人和非人灵长类动物的“专利”。果蝇是重要而经典的模式动物,对果蝇简约抉择行为的研究和理解可能提供关于决策的神经环路和基因方面的元素信息,并可能有助于理解某些高级认知功能的“基本原理”。

  中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所郭爱克实验室在基因—脑—行为—认知相结合的框架下,从演化的角度,对果蝇的抉择能力作了开创性研究,设计了“颜色/形状”和“颜色/重心”两种基于相对“权值”的“趋利避害”的抉择范式,发现果蝇在面临矛盾线索的情况下,可以根据线索的突显性作出有利的选择(Science,2001,294(5546):1543—1547)。

  在此基础上,他们将研究聚焦在果蝇抉择的神经环路机制上。通过精巧的行为实验,基因操作时空特异性地阻断各个脑区和神经递质传递特性等多种实验方法,以探索抉择的脑机制,回答抉择在哪里发生、怎样进行以及如何实现。他们发现:(1)果蝇脑的蘑菇体结构和多巴胺系统共同掌控了果蝇基于“价值”的抉择行为,没有二者共同参与的抉择是简单的“犹豫不决”的线性过程,而二者的协同运作使两难抉择成为“当机立断、胜者独享”的非线性抉择;(2)果蝇有能力完成连续的抉择任务,即在面对新的抉择任务时,能放弃在前一个抉择任务时所作的选择,而作出新的选择,体现了在抉择的“稳定性”和“灵活性”之间的动态平衡;(3)新的抉择仍需要蘑菇体结构和多巴胺系统重新快速参与,而一旦进入执行阶段,则不再需要多巴胺系统和蘑菇体的参与;(4)抉择是一个动态的时间过程,蘑菇体结构和多巴胺系统的参与存在一个时间窗口。基于以上结果,他们提出了蘑菇体结构和多巴胺系统可能完成“门控”、“聚焦”和“放大”操作的假设。相关研究结果发表在2007年6月29日出版的Science(316(5833):1901—1904)上。2007年7月27日出版的Cell在其神经生物学前沿栏目中(LeadingEdge:NeurobiologySelect)也头条介绍了该研究成果(Cell,130(2):197)。

  发现β抑制因子-1是调节CD4+T细胞存活和自身免疫性的关键因子

  CD4+T细胞是适应性免疫的关键,它在很多自身免疫引起的疾病中起着重要的作用。在体内,有95%%的T细胞在胸腺中凋亡,存活下来的进入外周免疫系统。而在外周免疫系统中,大量的CD4+T细胞也需要及时地凋亡以维持其动态平衡。一旦CD4+T细胞凋亡发生混乱,对自身抗原起反应的细胞就可能存活下来,从而使机体产生自身免疫性。β抑制因子-1(β-arrestin1)是一个多功能衔接子蛋白。中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所裴钢研究组与合作者臧敬伍等,研究发现β抑制因子-1可正调节T淋巴细胞及激活CD4+T细胞的存活。具体来说,β抑制因子-1可以改变CD4+T细胞中抗凋亡基因bcl-2启动子区组蛋白H4的乙酰化,促进Bcl-2的表达,从而减少CD4+T细胞的死亡。对自身免疫疾病模型小鼠的研究显示,过表达β抑制因子-1基因(Arrb1),可增加小鼠对自身免疫性脑脊髓炎的易感性;反之,缺少Arrb1的小鼠,对该疾病具有更高的抗性。临床标本检测发现,多发性硬化症患者的CD4+T细胞中β抑制因子-1高表达,而通过RNA干扰技术敲除这些细胞上的β抑制因子-1基因可增加CD4+T细胞的凋亡。该研究显示β抑制因子-1对于CD4+T细胞的存活是至关重要的,它是自身免疫易感性的一个关键因子。相关研究结果发表在2007年8月出版的NatureImmunology(8(8):817—824)上。

  证实大熊猫仍存在较高的遗传多样性和进化潜力

  综合大熊猫化石及现生种体形大小变化、食物特化、种群数量急剧下降、栖息地破碎化、圈养种群繁殖衰退和竹子开花等多方面的研究,传统的观点认为大熊猫已走到进化历史的尽头,其濒危是进化历程的必然。中国科学院动物研究所魏辅文研究小组与西华师范大学、英国卡迪夫大学等合作,在继2006年发现野生大熊猫种群数量远远超过先前人们估计的基础上(相关成果以封面文章形式发表在CurrentBiology,16:R451—R452),进一步发现大熊猫并未走到进化历史的尽头,仍然具有进化潜力。研究小组采用群体遗传学的研究方法,对不同山系现存野生大熊猫种群遗传多样性与变异、种群遗传结构与基因流、种群动态历史等问题进行了深入讨论,发现该物种现生种群仍然保持较高的遗传多样性和长期续存的进化潜力,而且大熊猫在末次冰期消融后还经历了强烈的种群扩张。而现生种群的衰退仅始于几千年前,这提示大熊猫种群的濒危和中国历史上人口不断增长所带来的压力密切相关。上述发现表明大熊猫并非是处于进化历史尽头的孑遗物种,这修正了长期以来公众对大熊猫前途命运的认识。大熊猫的濒危是由于自身以外的因素所造成的,而人类对其种群濒危负有不可推卸的责任。相关研究结果发表在2007年8月出版的MolecularBiologyandEvolution(24(8):1801—1810)上。

  在声子晶体中实现声波的双负折射

  光学双折射和二色性是各向异性晶体具有的一个重要现象。但是由于流体中传播的声波是纵波,因此在流体中不可能产生双折射现象。人工声子晶体的出现显著拓宽了自然界存在的声学材料,科学家可以制造出声学带隙用于控制声波的传播。另外,近年来负折射材料得到了科学家的关注,并在左手材料和光学晶体中得以实现。类似的,负折射材料在声子晶体中也得以实现。南京大学固体微结构物理国家重点实验室陈延峰等与南京大学声学研究所、复旦大学应用表面物理国家重点实验室合作者,运用FDTD方法模拟了声波在声子晶体中的双负折射现象,并通过实验进一步证实该现象的存在。在此基础上,他们利用双负折射效应,成功地实现了平板透镜的超透镜点源成像:同一个点源,可以通过声子晶体平板实现两个像。与光学双折射成像不同,这里所成的两个像是两个相干像,具有同样的频率和同样的偏振态。这一现象是继声子晶体中的带隙效应、负折射效应、超棱镜效应等以后,发现的又一重要的物理效应,可能在声聚焦、声全息等方面获得重要的应用。不仅如此,该现象具有一般性,类似的效应可能存在于光波之于光子晶体中、电子之于晶体中、表面等离激元波之于等离激元晶体中。相关研究结果发表在2007年10月出版的NatureMaterials(6(10):744—748)上。

  发现全球水循环中的溶解无机碳可能是一个重要的碳汇

  全球CO2的源汇不平衡是当前世界碳循环研究的重点内容之一。然而,关于全球CO2汇的位置、大小、变化和机制目前仍不确定。目前的研究主要集中在有机碳循环,而对无机部分关注较少。中国科学院地球化学研究所刘再华与德国Bremen大学WolfgangDreybrodt和西南大学地理科学学院王海静合作,基于广西和贵州10余年的野外观测数据,经过理论计算探讨了全球水循环中溶解无机碳形式对全球碳循环的贡献。他们发现,全球水循环产生的CO2汇高达每年约8亿吨碳,约占人类活动排放CO2源的10.1%,占所谓遗失碳汇的28.6%。该碳汇是由水对CO2的溶解吸收形成的,并随着碳酸盐的溶解及水生植物光合作用对溶解CO2消耗的增加而显著增加。这部分碳汇中每年有5.2亿吨通过海上降水和陆地河流进入海洋,有约1.6亿吨再次释放进入大气,还有约1.2亿吨储存在陆地水生生态系统中,净碳汇是6.4亿吨。随着全球变暖导致的全球水循环的加强、大气中CO2和碳酸盐粉尘的增加以及陆地植被的增加,未来由全球水循环形成的CO2汇也可能增加。总之,全球水循环、碳酸盐(岩)的风化溶解和水生植物的光合作用,三者共同构成了对大气CO2的调节。这些物理、化学和生物作用过程共同提供了一个负的气候反馈机制,降低了大气CO2增加对气候的影响。该研究发现对碳汇的理论计算做出了一个示范,为寻找遗失的碳汇提出了一个新的方向。相关研究结果发表在2007年10月出版的《科学通报》(52(20):2418—2422)上。

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