科研进展--中国科学院广州分院

深圳先进院｜高通量双光子荧光寿命显微镜：活体大脑的高分辨、大视野、多脑区、多参量、定量化功能成像

大脑功能是一系列复杂动态行为相互作用的结果，如神经活动、脑血流变化、免疫响应等。这些横跨多个脑区的动态行为能通过协同运作来实现各种大脑功能。因此，如何实现这些动态行为的大规模、高时空分辨、多参量、定量化记录，是深入探索大脑功能的根本所在，也是非侵入式脑机接口获取信息的关键。双光子显微镜（TPM）具备强组织穿透能力和固有的光学层析能力，近年来已成为大脑功能成像研究的首选工具。然而，传统的TPM存在视野受限（通常<0.5 mm²）、成像区域大小与时间分辨率存在固有权衡、仅依赖荧光强度导致信息维度单一等瓶颈，极大制约了其在复杂脑功能研究中的应用。大脑功能是一系列复杂动态行为相互作用的结果，如神经活动、脑血流变化、免疫响应等。这些横跨多个脑区的动态行为能通过协同运作来实现各种大脑功能。因此，如何实现这些动态行为的大规模、高时空分辨、多参量、定量化记录，是深入探索大脑功能的根本所在，也是非侵入式脑机接口获取信息的关键。双光子显微镜（TPM）具备强组织穿透能力和固有的光学层析能力，近年来已成为大脑功能成像研究的首选工具。然而，传统的TPM存在视野受限（通常<0.5 mm²）、成像区域大小与时间分辨率存在固有权衡、仅依赖荧光强度导致信息维度单一等瓶颈，极大制约了其在复杂脑功能研究中的应用。近日，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“深圳先进院”）生物医学与健康工程研究所、医学成像科学与技术系统全国重点实验室郑炜/叶世蔚团队成功研制出大视野多区域高速双光子荧光寿命显微镜（LD-2P-FLIM），可同步监测多个大脑皮层区域的神经元活动、同时空高分辨地记录生理/病理条件下的神经血管耦合现象、长时间追踪小胶质细胞对神经元损伤的免疫过程、以及实现大规模神经元集群的定量钙成像（活体监测绝对钙离子浓度），为非侵入式脑机接口提供了新的信息采集范式。研究成果以"Large-FOV, dual-region, two-photon fluorescence lifetime imaging microscopy (LD-2P-FLIM) for multiparameter and quantitative brain function imaging"为题发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）杂志上。该研究工作是国自然重大科研仪器研制项目的主要成果，同时也得到了医学成像科学与技术系统全国重点实验室、国家重点研发计划、深圳市医学研究专项等项目的资助。论文共同第一作者为中国科学院深圳先进技术研究院叶世蔚副研究员、高玉峰副研究员和邓梦颖副研究员。郑炜研究员和叶世蔚副研究员担任通讯作者。研究工作同时得到了郑海荣院士的指导，合作者还包括中国科学院深圳先进技术研究院刘成波研究员团队、储军研究员团队、南方医科大学珠江医院郭燕舞教授团队。大视野多区域高速双光子荧光寿命成像技术针对前述的传统TPM瓶颈，研究团队发展了相应技术（如下图所示）：（1）研发了一种有效的自适应光学校准方法，可突破物镜的标定视野限制，在仅使用商用光学器件的条件下实现了视野直径可达3mm且维持全视野分辨率优于0.7μm的大视野高分辨双光子成像。（2）为了缓解成像区域大小与时间分辨率二者间的制衡矛盾，研发了基于时分复用原理的多区域同步成像系统，可在全视野范围内任意选择两个子区域进行同步监测，子区域的三维定位和视野大小均可独立调节。（3）研发了一个现场可编程门阵列（FPGA）模块，可在强度成像的基础上实现荧光寿命的同步、快速探测，其荧光寿命成像的数据通量可达15.73 MP/s（512像素、30Hz、双区域）。相比于传统的荧光寿命成像方法（时间相关单光子计数，TCSPC）,该FPGA模块实现了超200倍数据通量的提升，使得活体动物的实时FLIM成像成为可能。基于LD-2P-FLIM的多参量和定量化大脑功能成像研究基于研发的LD-2P-FLIM，研究团队在多参量和定量化大脑功能成像方面开展了一系列探索研究，展示了该技术在脑科学研究与应用中的潜力。大视野高分辨的神经结构与功能成像。LD-2P-FLIM不仅能在3mm的完整视野内清晰识别树突棘结构，而且可以同步探测超过3000个神经元的钙离子活动，并推测相应的神经电位信息。多脑区神经活动同步监测。研究团队实现了疼痛刺激下横向（运动皮层M1和感觉皮层S1）和轴向（感觉皮层的L1和L2/3）双区域的神经活动同步监测，助力于梳理多个脑区的关联特性，为完整解析大脑功能提供重要手段。长时间追踪小胶质细胞对神经元损伤的免疫过程。研究团队利用两种不同寿命的绿色荧光蛋白（EGFP和BrUSLEE）分别标记小胶质细胞和神经元，并在激光损伤神经元后长时间追踪小胶质细胞对局部神经元损伤的免疫过程。同时空高分辨地记录生理/病理条件下的神经血管耦合现象。研究团队发现常用于活体神经元和血管标记的GCaMP6s和FITC虽然都是绿色的，但是它们的荧光寿命存在显著差异。因此，基于这一标记策略，进一步结合LD-2P-FLIM，研究团队实现了电刺激和癫痫模型下神经血管耦合现象的双区域同步记录。这一成像实验不仅是在高效的单一波长激发下完成的，而且所记录到的神经血管耦合特征是完全共时空的。研究发现，得益于LD-2P-FLIM高通量的荧光寿命成像能力，神经和血管信号能被高分辨、无串扰、实时监测。此外，双区域同步成像性能帮助揭示了一些特殊的神经血管耦合时空特征，而大视野高分辨成像性能则帮助解析了毫米尺度、单分子水平癫痫病灶的发生和传播机制。大规模神经元集群的定量钙离子成像。光学钙成像是系统神经科学中研究群体神经活动的核心技术，然而传统钙成像技术的一大限制就是无法将测得的荧光强度信息转化为钙离子浓度信息。而荧光寿命成像不受荧光物浓度和激发条件（激光强度、波长、光路等）影响，可以直接反映钙离子浓度信息。然而，传统的荧光寿命探测往往是基于TCSPC的，成像通量低（获得一幅512像素的荧光寿命图像可能需要数十秒甚至几分钟）。而LD-2P-FLIM正是瞄准这一痛点，在jRCaMP1b标记神经元的活体小鼠上首次实现了大规模神经元集群、双区域的定量钙离子成像。研究团队还比较了自发活动和癫痫状态下测得钙离子浓度水平，发现这两种状态下测得的钙离子浓度差异与脑电极（EEG）测得结果几乎一致。这一结果表明LD-2P-FLIM有望将光学钙成像研究从原有的定性水平推进到定量水平。未来展望LD-2P-FLIM可在大视野范围内、以亚细胞分辨率、同步监测两个关联脑区上的神经血管耦合、神经元-小胶质细胞互作机制、定量钙离子变化等大脑功能信息，有望为下一代脑机接口技术提供新范式和新思路。未来研究可在成像技术与大脑功能成像应用两个层面展开。在成像技术方面，可结合低重频高脉冲能量的激光器以实现更多区域的同步成像，并研究免拟合式的荧光寿命计算方法以实现荧光寿命值的实时获取。在大脑功能成像方面，可以结合更多新兴发展的荧光寿命探针，为各种神经化学物质（cAMP, 神经递质、神经调质等）的在体、定量成像研究提供可靠的成像工具。论文链接大视野多区域高速双光子荧光寿命成像方法和系统。大视野高分辨的神经结构与功能成像。同时空高分辨地记录生理/病理条件下的神经血管耦合现象。癫痫状态下大规模神经元集群的定量钙成像。

2026-08-10

Biological Reviews | 揭示喙鲸声学适应与人为噪声威胁，呼吁加强深海鲸类保护研究

近期，中国科学院深海科学与工程研究所海洋哺乳动物与海洋生物声学研究团队在生物学领域顶级期刊Biological Reviews在线发表了题为“Beaked whale bioacoustics: knowledge gaps, vulnerability, and conservation imperatives in the Anthropocene”的论文。该研究系统总结了过去二十余年来全球喙鲸（Ziphiidae）生物声学研究进展，分析了喙鲸独特的声学适应、听觉能力及其对人为水下噪声的潜在风险，指出由于长期存在的观测困难和基础数据不足，当前对这一类深潜鲸类的生态知识和人为扰动影响仍存在显著认知缺陷。喙鲸是一类长相奇特的齿鲸：嘴巴像海豚般突出，但更窄长，宛如鸟喙。全球现存24种，从热带到极地都有分布。它们极度害羞，一生大部分时间在深海中度过，每次浮出水面仅换气几分钟就再次下潜少则10-20分钟，长则几十分钟甚至几小时（最长纪录将近4小时）才再次浮出水面。这让科学家极难在海上直接观察到它们。直到近20年来，借助水下麦克风（水听器），人们才开始窥探它们的水下生活。论文指出，喙鲸已经进化出高度特化的声学系统，依靠具有物种特异性的调频（frequency-modulated, FM）回声定位（又称“生物声呐”）信号进行深海觅食和环境感知，其生物声呐频率与体型之间存在显著的进化关联，呈现趋同演化下的“逆频率缩放”定律。通过整合10个物种的数据，该研究首次系统验证了喙鲸家族内部也存在“体型越小，回声定位信号频率越高”的逆比例关系。这与海豚、鼠海豚的规律高度一致，表明深潜生态压力迫使不同支系的齿鲸在声呐设计上趋向同一最优解。这是进化生物学的重要认知补充。同时指出，喙鲸具有特殊的听觉结构和声学传导路径，使其能够适应深海环境中的高频声学探测和交流。然而，正是这种高度依赖声音的信息获取方式，使喙鲸成为人为噪声影响最敏感的海洋动物之一。随着人类活动不断向深海扩展，包括船舶运输、地质调查、军事声呐、海底工程以及未来深海采矿活动在内的多种人为声源正在改变海洋声景。已有研究显示人为噪声可能导致喙鲸停止觅食、改变潜水行为、回避噪声源，甚至与部分集体搁浅事件相关。该研究指出，目前针对喙鲸的噪声影响评价标准仍受到物种特异性生理和行为数据不足的限制，难以建立充分可靠的声学保护阈值。长期以来，喙鲸研究主要集中于少数容易开展研究的物种，尤其是与军事活动区域存在空间重叠的种类，而其他多数喙鲸物种仍缺乏充分的声学、行为和生态数据。论文指出，目前相当一部分喙鲸物种甚至尚未获得可靠的声学记录，已有研究结果也不能简单推广至整个喙鲸科。由于不同物种可能具有不同的声学策略、栖息需求和噪声响应模式，缺乏物种尺度的数据将限制保护措施的科学制定。研究团队进一步指出，当前深海保护面临的核心问题不仅是人为扰动是否存在，而是生态系统对扰动的响应机制仍未被充分认识。特别是在深海人为活动不断增加的背景下，如何建立基于科学证据的环境影响评估体系，需要更加完善的长期监测和基础数据支撑。论文提出未来研究应重点加强全球被动声学监测网络建设，提高喙鲸分布和种群规模估计能力，开展更多物种的听觉能力研究，量化不同人为声源造成的生态影响，并进一步评估个体行为变化是否会转化为种群尺度效应。研究认为，未来需要将长期声学监测、生物遥测、生态模型和环境数据相结合，建立更加完善的风险评估体系，为深海人为活动中的生态保护和适应性管理提供科学依据。对于喙鲸等深海关键物种而言，加强基础生态认知、完善长期监测体系、建立物种特异性的噪声管理标准，是实现深海生态系统可持续管理的重要基础。该论文的第一作者为中国科学院深海科学与工程研究所海洋哺乳动物与海洋生物声学研究室董黎君副研究员。研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划以及海南省科技人才创新项目等项目支持。图1 喙鲸回声定位信号频率与体型之间的关系图2 喙鲸与其他海洋哺乳动物听觉阈值比较（包括白鲸、港湾鼠海豚、虎鲸、瓶鼻海豚，以及幼年杰氏中喙鲸、成年杰氏中喙鲸和亚成年柏氏中喙鲸等）

2026-08-07

深圳先进院｜研究提出非接触激光超声实现锂离子电池SoC/SoH精准监测

随着新能源汽车与新型储能产业的持续发展，锂离子电池在复杂工况下的安全性、可靠性与寿命管理问题日益凸显。荷电状态（state of charge, SoC）表征电池当前可用电量，健康状态（state of health, SoH）反映电池经长期循环后的性能退化程度，二者是电池管理系统中实现寿命预测与安全预警的关键参量。在高倍率充放电条件下，电池极化效应、电压滞后及温度波动显著加剧，对内部状态监测的准确性和稳定性提出了更高要求。7月29日，中国科学院深圳先进技术研究院智能仿生研究中心郭师峰团队与清华大学深圳国际研究生院周光敏团队合作，在Science Advances上发表题为"Operando state monitoring of diversified lithium-ion batteries via laser-excited ultrasonic sensing with transformer networks"的研究成果。该研究面向高倍率工况下锂离子电池SoC与SoH的高精度原位监测需求，提出“非接触激光超声传感”与“Transformer深度学习”一体化融合方案，旨在突破传统超声及电化学估算方法在工程应用中的局限，并通过构建覆盖多型号商业电池的大规模数据集，系统验证了该方法的泛化能力与适用性。现有电池状态估计方法多依赖电压、电流和内阻等电化学参数，但在高倍率循环过程中，复杂的电化学动力学及热效应会显著削弱该类方法的适用性。近年兴起的超声检测技术，因对材料弹性模量、密度及内部结构演化高度敏感，为电池内部状态的无损感知提供了新的解决路径。然而，当前主流的接触式和浸液式压电超声方法普遍依赖耦合剂或浸液介质，检测结果易受耦合状态及温度波动影响，同时耦合剂残留也限制了其在真实应用场景中的推广。针对上述问题，研究团队提出了一种无需耦合剂的非接触激光激励超声传感技术（LEUS），并结合Transformer网络实现电池状态的实时原位监测。该LEUS系统采用环形脉冲激光与连续激光协同的双激光设计方案，大幅提升了超声信号强度与信噪比，能够有效追踪与电池SoC和SoH密切相关的内部状态演化。通过将超声信号转化为时频谱图，Transformer网络可自动提取与SoC、SoH相关的判别性特征，减少对人工特征构建和经验参数设定的依赖，同时实现高精度预测。借助迁移学习，该基础模型可快速适配不同电池化学体系、型号及高倍率循环条件，显著降低重训练时间和成本，且仅需少量超声数据即可实现稳定状态监测。在来自多种型号电池、超过10万个超声信号样本的大规模验证中，该方法展现出较强的鲁棒性和可靠性，为下一代电池管理系统的构建提供了有力技术支撑。该研究贯通了非接触超声信号采集、多场景电池数据构建及深度学习状态推断等关键环节，为复杂工况下锂离子电池无损、实时与智能化的状态监测提供了全新的解决方案，有望为高安全性、高智能化电池管理系统的发展奠定技术基础。郭师峰研究员、冯伟研究员和周光敏副教授为该论文共同通讯作者，吕高龙博士与孙崇博博士为共同第一作者。该研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省及深圳市基础研究项目的资助支持。原文链接用于电池荷电状态（SoC）和健康状态（SoH）实时监测的全非接触式激光超声与机器学习模型示意图

2026-08-07

深圳先进院｜定量合成生物学全国重点实验室构建金属编程光-生物杂合体系，驱动黄酮木脂素从头合成

近日，由中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室/合成生物学研究所Howard H. Chou正高级工程师领衔的研究团队，在Metabolic Engineering期刊发表了题为"Metal ions program flavonolignan biosynthesis and enable photo-biohybrid production"的重要研究成果。他们发现，水飞蓟类黄酮木脂素可以在体外通过非酶的、金属调控的光催化途径进行组装。该光催化体系能够从天然底物花旗松素（taxifolin）和松柏醇（coniferyl alcohol）出发，生成水飞蓟素中的六种主要黄酮木脂素，其中包括此前酶法一直无法合成的silychristin类化合物。研究进一步揭示，Fe³⁺和Al³⁺等金属离子可作为“程序性开关”精确调控自由基偶联的区域选择性，进而决定产物的骨架类型。该研究首次将这种非生物光化学过程与工程化酿酒酵母的胞内代谢相结合，构建了“光-生物杂合”（photo-biohybrid）生产平台，实现了从葡萄糖直接从头合成水飞蓟素类黄酮木脂素，为天然产物的可持续生产和新结构类似物的发现开辟了全新路径。黄酮木脂素由类黄酮和苯丙烷类前体通过氧化偶联形成。长期以来，学术界普遍认为这类化合物的合成依赖酶介导的自由基偶联过程，类似于木质素的生物合成模式。早期仿生研究证实，过氧化物可催化花旗松素与松柏醇生成类似黄酮木脂素的产物，因此过氧化物酶和漆酶被认为参与了黄酮木脂素的组装。然而，随着研究深入，越来越多的证据表明，水飞蓟中的黄酮木脂素生物合成受到严格的遗传调控。基因同质的植物在不同环境条件下表现出稳定的化学表型，且不同化学表型之间的杂交后代呈现中间态的黄酮木脂素组成，这些现象提示终末偶联反应可能受“导向蛋白”（dirigent proteins）等因子的酶学调控，而非简单的随机自由基偶联。但迄今为止，尚无任何报道的酶学体系能够在体外重现水飞蓟中全部天然黄酮木脂素谱，特别是silychristin类化合物。基于此，研究团队提出了一个颠覆性的科学假设：黄酮木脂素的合成是否可以不依赖酶催化，而通过非生物的化学路径完成？光化学能否驱动自由基产生并引导偶联反应的发生？本研究正是围绕这一假设展开探索。为验证上述假设，研究团队首先测试了不同光源对花旗松素与松柏醇偶联反应的影响。结果发现，太阳光或UVA照射能够生成水飞蓟中检测到的七种主要黄酮木脂素，而UVB和UVC主要导致底物降解。加入天然四吡咯光敏剂原卟啉IX（PPIX）后，偶联效率显著提升，生成的产物谱与天然水飞蓟种子中的黄酮木脂素组成高度相似，且首次在体外合成了silychristin类化合物。研究团队进一步筛选了不同金属离子对光催化反应的影响，发现Fe³⁺和Al³⁺能显著改变产物分布——在Al³⁺作用下，silychristin类产物的占比可高达总黄酮木脂素的84%。而Mn²⁺则主要提高总产量而不改变产物选择性。通过光谱分析和EDTA螯合实验，团队证实了这种区域选择性的分子机制：Fe³⁺或Al³⁺与花旗松素邻二酚羟基发生配位，从空间和电子两方面限制了原本生成silybin类产物的反应路径，转而引导自由基攻击相邻碳位点，最终构建silychristin的特有骨架。在阐明非生物光化学机制后，团队将目光转向了与微生物代谢的整合。他们通过系统的代谢工程改造，在酿酒酵母中逐步构建了花旗松素合成途径、松柏醇合成途径，并引入植物来源的HCT-C3H分流途径以优化前体供应平衡。经多轮优化后，最终获得的菌株能够同时生产花旗松素和松柏醇，实现了两种前体的近等摩尔供给。在此基础上，团队进一步过表达酵母内源和异源血红素途径基因，使该菌株同时具备原位合成光敏剂PPIX的能力。将这一工程菌株（ySM93）的发酵液补加金属离子后直接进行光照，成功实现了从葡萄糖到水飞蓟素黄酮木脂素的“一锅法”从头合成，无需中间产物的分离纯化。不同金属离子在发酵体系中也重现了与体外一致的调控规律：Mn²⁺提升总产量，Fe³⁺和Al³⁺富集silychristin。此外，团队还将这一策略推广到非天然底物体系：用秦皮素（esculetin）替代花旗松素进行光催化偶联，成功合成了三种此前未见报道的类黄酮木脂素新类似物（QS-4、QS-9A、QS-9B），同样实现了金属调控的区域选择性，证明了该方法的普适性和扩展潜力。本研究的主要发现在于：黄酮木脂素的生物合成并非只能依赖酶催化，还存在一条由金属离子调控的非生物光化学路径。Fe³⁺、Al³⁺和Mn²⁺三种金属离子对反应产物的产量和区域选择性表现出“分工明确”的调控作用——其中Al³⁺充当区域选择性“向导”，Mn²⁺作为催化效率“增强剂”，Fe³⁺则兼具双重功能。该研究首次实现了6种水飞蓟素类天然产物的体外合成，也为通过改变酚类底物和金属离子组合来合成自然界不存在的黄酮木脂素新类似物提供了通用平台，有望加速药物先导化合物的发现和开发。中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室/合成生物学研究所Howard H. Chou正高级工程师为本文的通讯作者，课题组原助理研究员杨加增为本文的第一作者，中国科学院深圳先进技术研究院为本文第一完成单位。研究工作得到了比尔及梅琳达·盖茨基金会的资助和深圳合成生物学创新研究院等项目的支持。原文链接文章上线截图图1. 水飞蓟素类黄酮木脂素通过底物的单电子氧化及随后底物自由基之间的偶联反应生成。水飞蓟植物提取物中含有七种主要的黄酮木脂素异构体：silybin A、silybin B、isosilybin A、isosilybin B、silychristin A、silychristin B和silydianin。目前采用过氧化物酶的酶法仿生合成仅能获得七种黄酮木脂素中的四种。本研究报道了一种金属调控的光催化策略，能够实现silychristin A和silychristin B的区域选择性合成。图2. 本研究对酿酒酵母进行工程化改造，使其共表达松柏醇、花旗松素及原卟啉IX（PPIX）的生物合成模块。通过过表达酵母内源基因（黑色标注）及异源植物或微生物基因（红色标注），提高前体与光敏剂合成途径的代谢通量。发酵培养物经光照后，原位生成的光敏剂PPIX驱动花旗松素与松柏醇发生光催化偶联反应，从而实现水飞蓟素类黄酮木脂素的从头合成。

2026-08-03

深圳先进院丨从受损神经元到神经血管损伤放大 EHJ再次聚焦深圳先进院DKK2卒中研究

近日，中国科学院深圳先进技术研究院牵头完成的DKK2卒中研究再获关注：国际心脑血管领域权威期刊European Heart Journal（EHJ）在2026年7月21日出版的第47卷第28期中，通过"Issue @ a Glance"栏目再次重点介绍该研究，并将其结构化图文摘要作为专题文章Figure 2整版刊载。近日，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“深圳先进院”）牵头完成的DKK2卒中研究再获关注：国际心脑血管领域权威期刊European Heart Journal（EHJ）在2026年7月21日出版的第47卷第28期中，通过"Issue @ a Glance"栏目再次重点介绍该研究，并将其结构化图文摘要作为专题文章Figure 2整版刊载。该专题文章题为“The fascinating evolution of vascular biology: novel mechanisms leading to new therapeutic targets”，由Filippo Crea撰写，围绕血管生物学、血管医学与脑健康领域的前沿进展，遴选并介绍本期具有代表性的研究成果。文章以较大篇幅概述了DKK2调控卒中后神经血管损伤的主要发现，并指出其兼具治疗靶点和潜在循环标志物价值。“Targeting DKK2 represents a promising therapeutic approach to ischaemic brain injury.” 期刊导读认为：靶向DKK2是缺血性脑损伤中具有前景的治疗方向。此前，团队已在EHJ“Translational Science”栏目发表原创论文，揭示神经元来源DKK2通过抑制Wnt/β-catenin信号，同时加重神经元死亡和血脑屏障破坏。（延伸阅读>>超链接 https://mp.weixin.qq.com/s/lzg_YvHwai8nqf2qWjoEuQ）论文随后获EHJ配发专门Editorial，将DKK2概括为卒中的“neurovascular modulator”。有关研究机制此前已作专题报道，本次该成果再次入选“Issue @ a Glance”，并以整版图文摘要再次呈现，形成“原创研究—专家评述—期刊导读”的三层次学术传播。受损神经元并非只是“受害者”传统观点通常将卒中后的神经元视为缺血损伤的被动承受者。该研究进一步提出，部分尚未死亡的受损神经元也可能主动释放病理信号，改变周围血管和神经细胞的命运。研究团队通过神经元特异性DKK2过表达和敲低、全身及脑内DKK2干预、基因敲除和中和抗体治疗等多种实验策略，建立了较为完整的证据链：神经元来源DKK2既通过自分泌作用加重神经元自身损伤，也通过旁分泌作用抑制脑血管内皮细胞Wnt信号、破坏血脑屏障，从而形成神经元损伤与血管损伤相互放大的病理环路。研究还发现，缺血条件下神经元DKK2的表达受到核受体RXRα调控，进一步构建了“RXRα—DKK2—Wnt/β-catenin”神经血管损伤调控轴。“DKK2 thus emerges not only as a potential biomarker of evolving neurovascular injury but also as a promising therapeutic target.” 专门Editorial指出：DKK2既可能成为进展性神经血管损伤的潜在标志物，也可能成为具有前景的治疗靶点。 “这项研究关注的不只是卒中后某个分子是否升高，更重要的是，受损神经元是否会反过来改变脑血管和周围神经组织的命运。”深圳先进院医药所马寅仲副研究员表示，“DKK2把神经元死亡和血脑屏障破坏连接在同一个病理过程中，也为卒中后持续性脑损伤提供了新的解释。”同一分子的两个潜在转化出口除机制研究外，该成果还展现出血液检测与抗体治疗两方面的转化潜力。在接受血管内取栓治疗的缺血性脑卒中患者中，研究团队对血清DKK2进行了动态检测。结果显示，取栓后72小时DKK2水平较高的患者，往往具有更大的脑梗死体积，并更容易出现脑出血及较差的远期神经功能结局。这提示，DKK2可能成为反映再通后神经血管损伤持续进展的循环标志物。 EHJ配发的Editorial将其概括为“a potential biomarker of evolving neurovascular injury”。不过，现阶段临床样本量仍有限，DKK2作为卒中风险评估指标的稳定性、适用人群和临床阈值，还需要在更大规模、多中心队列中进一步验证。另一方面，DKK2基因敲除及中和抗体治疗均能够缩小动物脑梗死体积、减轻血脑屏障渗漏并改善神经功能。因此，DKK2可能形成两个相互衔接的转化方向：一端用于识别持续性脑损伤和不良预后高风险患者，另一端作为中和抗体等药物的干预靶点。从急性期脑保护走向全病程研究国际专家在肯定研究意义的同时，也提出了下一阶段需要回答的重要问题。卒中急性期，血脑屏障破坏会加重脑水肿和出血性转化；而在恢复期，血管重塑、新生血管形成和神经可塑性又是脑功能恢复的重要基础。DKK2在急性损伤期和慢性修复期是否具有不同作用，早期抑制DKK2是否会影响后期血管重塑，以及老龄、糖尿病、动脉粥样硬化、药物使用和性别差异是否会改变DKK2干预效果，均需要进一步研究。围绕这些问题，研究团队正在进一步开展DKK2临床队列验证、中和抗体优化及治疗时间窗研究，推动其从机制发现向风险评估和靶向干预延伸。马寅仲表示：“原创论文、国际专家Editorial和期刊专题导读的连续关注，是对研究科学问题和转化方向的进一步肯定。下一阶段，我们将更加关注DKK2在不同卒中阶段中的动态作用，明确其最佳检测时间和干预窗口，推动检测产品和中和抗体的进一步开发。”该研究由深圳先进院牵头完成，承担总体研究设计和主要基础实验工作；南方医科大学附属东莞医院、南方医科大学南方医院等单位完成患者样本收集和临床分析；吉林大学第一医院及深圳先进院脑认知与脑疾病研究所等团队为研究提供了重要支持。研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划及广东省、深圳市科技项目等资助。图1. European Heart Journal最新“Issue @ a Glance”专题文章首页。该文聚焦血管生物学、血管医学与脑健康领域的新机制及新治疗靶点。图2. EHJ“Issue @ a Glance”专题文章再次整版刊载DKK2研究图文摘要。图中显示，神经元来源DKK2抑制神经元和血管内皮细胞中的Wnt/β-catenin信号，进而加重神经元死亡、血脑屏障破坏和不良结局。图3. EHJ为该研究配发的专门Editorial及其图文摘要。Editorial将DKK2定义为卒中的神经血管调节因子，并从急性损伤、抗体干预和慢性修复等方面讨论其转化前景。

2026-07-28

东莞材料所 | 轨道霍尔与自旋霍尔协同作用实现高效电控磁

自旋电子学面临的核心挑战之一，是如何通过电学手段高效操控磁矩，其关键在于自旋流的高效产生。传统上，自旋霍尔效应（SHE）被视为产生自旋流的主要机制，通过电荷流与自旋流的相互转换来实现磁化翻转。然而，自旋霍尔效应存在显著的局限性：一方面，其自旋轨道耦合强度通常受限于材料的重元素掺杂浓度和能带结构，导致自旋霍尔角难以大幅提升；另一方面，自旋流在输运过程中伴随严重的焦耳热耗散，且自旋扩散长度有限，使得临界翻转电流密度居高不下（通常在106–107 A/cm2量级），严重制约了器件的能效和集成密度。更为棘手的是，在SHE框架下，自旋力矩与材料电阻率呈正相关，即自旋霍尔角越大，电阻率越高，同时加剧了热损耗，形成“高力矩与低能耗”之间的根本矛盾。近年来，轨道霍尔效应（OHE）的发现，成为极具吸引力的替代方案。与自旋霍尔效应不同，OHE利用电子的轨道角动量而非自旋角动量进行输运，其优势首先在材料源头，轨道角动量在轻质元素（如Ti、Cr、Cu）中即可产生强烈的响应，无需依赖重元素，从而大幅降低了材料成本与工艺复杂度。更重要的是，近期研究揭示了一种非常规的标度关系，在OHE中，随着电阻率的减小，轨道力矩反而增强，这与自旋霍尔效应的行为完全相反。这一反常标度关系意味着，通过选用高导电性（低电阻率）的轨道霍尔材料，可以在显著降低焦耳热的同时获得更强的自旋力矩，从而从根本上打破传统SHE的“力矩-能耗”权衡困境。利用这种标度关系，可以大幅降低磁化翻转过程中的临界翻转电流密度和能耗密度，较传统SHE器件可降低一个数量级以上。针对传统自旋霍尔效应（SHE）中“高力矩与低电阻率不可兼得”的矛盾，电子信息材料与器件研究部与非晶材料研究部合作，创新性地设计了非晶NiNb合金体系。将具有强轨道霍尔效应（OHE）的Nb与具有强自旋-轨道耦合（SOC）的Ni进行合金化，并巧妙利用从晶体到非晶的结构无序化——非晶态打破了长程有序晶格对原子尺度轨道角动量的束缚，显著削弱了晶体场对轨道极化的淬灭效应，使得Nb原子中原本被抑制的轨道角动量得以充分释放并参与输运。在此基础上，通过系统调控Ni/Nb化学计量比，研究团队实现了轨道霍尔效应与自旋霍尔效应的深度协同增强。理论计算表明，在等原子比（Ni₄Nb₄）构型中，Ni与Nb的态密度在费米面处高度匹配，轨道杂化最强，使得自旋霍尔电导率（SHC）和轨道霍尔电导率（OHC）同时攀升至峰值。实验数据进一步验证，非晶NiNb合金的自旋-电荷转换效率高达1.4–1.7，较传统Pt、Ta等重金属SHE材料提升近一个数量级，且电荷-自旋转换效率随电阻率呈现非单调依赖关系，这一反常行为与SHE体系中的正相关标度截然不同，表明非晶无序散射对轨道流和自旋流具有协同调控作用，为超越传统SHE的自旋流产生开辟了全新的物理设计维度。更为重要的是，本工作揭示的非本征散射，即非晶合金中原子级无序和局域化学波动引发的动量弛豫，在轨道霍尔效应中扮演了“杠杆”而非“阻力”的关键角色。无序化不仅削弱了晶体场对轨道角动量的淬灭，还通过增强轨道宇称混合和费米面拓扑重构，使轨道极化效应更为显著，从而有效放大了轨道力矩的输出。基于这一物理认知，团队提出了一种全新的器件设计范式：无需依赖昂贵的单晶或多晶外延薄膜，仅通过调控非晶合金的组分无序度和散射强度，即可设计轨道响应与电阻率之间的协同关系，实现“低电阻率+高自旋力矩”的理想组合。实验证明，在NiNb/CoTb垂直磁各向异性器件中，将临界翻转电流密度降至3.24×106 A/cm2，较传统Pt/CoTb体系（~4×107 A/cm2）降低逾一个数量级，能耗密度同步下降。该工作不仅为高能效轨道电子器件（如轨道力矩磁随机存储器和逻辑门）提供了灵活、可规模化的材料解决方案，更从基础物理层面确立了“无序化工程”作为优化电荷-自旋转换效率的方式，有望推动新一代低功耗自旋电子学向实用化迈出关键一步。图 NiNb合金中，非常规的电荷-自旋转换效率与电阻率的标度关系及高效的自旋力矩驱动垂直磁化翻转相关研究成果以“Efficient Current-Driven Perpendicular Magnetization Switching Through the Synergy of the Orbital and Spin Hall Effects”为题发表在Advanced Science期刊，中国科学院东莞材料科学与技术研究所为论文第一单位，吴闯文博士后、周靖副研究员和范轶博博士后为论文第一和共同第一作者，吴昊研究员和柯海波研究员为论文通讯作者。该工作得到了得到国家重点研发计划（2022YFA1402801）、国家自然科学基金（52271239、 12304149 和 52311530674）、广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515140117 和 2024A1515110196）、广东省量子科学战略专项（GDZX2302003、GDZX2301002、GDZX2402001 和 GDZX2301001）的支持。文章链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.76805来源：电子信息材料与器件研究部

2026-07-30

深圳先进院丨研究提出伏隔核神经元调节低氧诱发的行为与代谢异

慢性低氧不仅影响呼吸和心血管功能，也常引发焦虑样行为及能量代谢改变。然而，大脑如何协调慢性低氧条件下的情绪与代谢适应，仍有待进一步阐明。近日，中国科学院深圳先进技术研究院杨帆研究员、屠洁研究员团队与厦门大学附属第一医院倪国新教授合作，在神经科学专业期刊Neuroscience Bulletin发表题为"Nucleus Accumbens D1 Receptor Neurons Contribute to Emotional and Metabolic Adaptation to Chronic Hypoxia"的研究论文。研究基于模拟高原慢性低氧小鼠模型，结合行为与代谢表型分析、全脑神经活动筛选、细胞类型特异性操控及运动预适应干预，发现伏隔核壳区D1受体神经元在慢性低氧适应中发挥重要作用。研究发现，模拟高原慢性低氧可诱发小鼠明显的焦虑样行为，并引发行为活动状态和能量代谢的协同改变。这种变化并非单一行为异常，而是涉及情绪、行为和代谢的综合适应过程。全脑c-Fos活性筛选进一步提示，伏隔核壳区（Nucleus accumbens shell, NAcSh）是关联低氧、情绪与代谢变化的重要脑区之一。在此基础上，研究团队发现慢性低氧伴随NAcSh区域D1受体相关信号下降，而在Drd1a-Cre小鼠中特异性增强NAcSh D1R神经元兴奋性后，可缓解低氧诱发的焦虑样行为，调节部分相关代谢表型。这提示NAcSh D1R神经元可能是慢性低氧适应中的重要调控节点。此外，慢性低氧前进行中等强度运动预适应，能够改善后续焦虑样行为，部分恢复NAcSh区域D1受体表达水平，为理解运动提高低氧适应能力的机制提供了新的线索。综上所述，本研究从细胞类型层面揭示了伏隔核壳区D1受体神经元参与慢性低氧情绪与代谢适应的机制，为高原及慢性低氧相关状态下的主动健康干预研究提供了实验依据。中国科学院深圳先进技术研究院杨帆研究员、屠洁研究员和厦门大学附属第一医院康复医学科倪国新教授为论文共同通讯作者，陈妍和邵杰为共同第一作者。该研究得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金委重大项目和面上项目、深圳市医学研究专项资金等项目的资助，并受深港脑科学创新研究院支持。研究示意图原文链接

2026-07-28

深圳先进院｜定量合成生物学全国重点实验室开发可编程真菌活体纺织材料平台

在真菌材料底盘的选择上，研究团队采用了蛹虫草。蛹虫草在液体培养中能够形成由大量菌丝相互缠绕而成的菌丝球。这些菌丝球既保留生物活性，又可以作为独立的模块化构建单元进行收集、塑形和重新组装，因而更适合制备形状可控的二维和三维材料。同时，蛹虫草菌丝可在温和加工后保持一定的再生能力，为材料成形后的表面生长和功能调控提供了基础。自然界中，丝状真菌通过菌丝的生长和缠绕形成连续网络。若能在材料成形后保留这种生命活性，材料便可能进一步获得环境响应、表面更新和损伤修复等功能。然而，现有菌丝材料通常需要经过干燥、加热或化学交联，往往在获得稳定结构的同时失去生物活性。如何兼顾宏观成形、力学性能和生物可编程功能，是工程活体材料领域的重要挑战。针对这一挑战，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“深圳先进院”）定量合成生物学全国重点实验室/合成生物学研究所钟超团队于北京时间2026年7月25日在Science Advances发表题为"A programmable fungal platform for engineered living textiles"的研究论文。研究团队以蛹虫草菌丝为结构底盘，构建了一种可成形、可功能化并保留生物响应能力的活体纺织材料平台(图1)。在真菌材料底盘的选择上，研究团队采用了蛹虫草。蛹虫草在液体培养中能够形成由大量菌丝相互缠绕而成的菌丝球。这些菌丝球既保留生物活性，又可以作为独立的模块化构建单元进行收集、塑形和重新组装，因而更适合制备形状可控的二维和三维材料。同时，蛹虫草菌丝可在温和加工后保持一定的再生能力，为材料成形后的表面生长和功能调控提供了基础。基于上述特性，研究团队首先将蛹虫草培养形成的菌丝球放入模具并温和干燥。相邻菌丝依靠自身网络逐渐结合，形成无需额外支架或胶黏剂的连续片材。针对材料初始状态较脆的问题，团队采用甘油进行增塑，使片材能够折叠、扭转、裁剪和缝制。四条窄片扭成的细绳可承载1千克重物，展示了材料在柔韧性与结构强度之间的平衡。在此基础上，团队采用结构底盘与功能模块分工的设计思路，引入工程酿酒酵母为材料着色。通过在酵母表面展示几丁质结合结构域，酵母可以稳定附着于菌丝网络，并产生浅蓝、红、橙和深紫等颜色，且不会明显削弱材料的力学性能（图2）。材料中保留活性的蛹虫草菌丝还可在营养和湿度条件下重新生长。研究人员通过局部添加营养液，使气生菌丝按照预设区域形成图案。气生菌丝特有的微观结构还赋予材料约145°的水接触角，形成疏水表面，使污水液滴能够迅速滚落，实现无需合成涂层的自清洁功能。对于较大的缺损，新鲜菌丝球可被填入受损区域，并通过再次生长恢复结构及表面功能。团队进一步将黑曲霉作为另一种功能模块，使其在片材表面形成富含黑色素的气生菌丝层，从而增强材料的紫外吸收和抗氧化能力。该策略表明，不同微生物可以根据自身特性，为同一真菌材料平台提供可替换的功能。为展示材料的加工和组合能力，研究团队将不同颜色和表面功能的菌丝片材裁剪、缝制成裙装原型。裙装主体采用工程酵母着色的片材，领部呈现经营养诱导形成的菌丝图案，裙摆则覆盖具有自清洁特性的气生菌丝，展示了材料模块化设计和加工的可行性（图3）。该研究建立了一个连接菌丝生长成形、材料加工和模块化生物功能的活体材料平台。现阶段，该材料更适合可降解包装、艺术纺织品和临时展示材料等使用周期可控的场景。其规模化制造、耐磨性、耐洗性和长期环境稳定性仍需进一步优化。论文作者指出：“通过连接结构形成与持续代谢活性，我们构建了一类兼具可编程性、环境响应性和内在可持续性的生物制造系统。”这一研究为环境、医疗和建筑等领域的自适应活体材料提供了新的设计框架。本研究由中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室/合成生物学研究所与深圳市朴飞生物科技有限公司‌（PEELSPHERE GMBH）合作完成。钟超研究员团队李柯助理研究员为论文第一作者，钟超研究员、安柏霖副研究员和王新宇副研究员为共同通讯作者，中国科学院深圳先进技术研究院为第一完成单位。研究获得国家重点研发计划合成生物学专项应急项目、国家杰出青年科学基金、深圳市医学研究专项资金、广东省基础与应用基础研究基金区域联合基金青年项目、深圳市科技计划以及深圳合成生物学创新研究院等项目支持。原文链接图1. 蛹虫草菌丝组装形成柔性活体片材示意图图2. 工程酵母着色图3. 由不同功能菌丝片材组装而成的裙装原型

2026-07-28

深圳先进院 | 研究提出一种基于物理神经网络的射频成像算法以及在乳腺肿瘤检测增中的应用

围绕乳腺RF信号的智能诊断需求，中国科学院深圳先进技术研究院聂泽东研究员团队提出了基于 RF-BreastNet 的射频物理深度学习框架，相关成果发表在IEEE Transactions on Antennas and Propagation国际TOP 期刊 "RF-BreastNet: An Augmented Hierarchical Feature Extraction Framework for Breast Tumor Detection, Localization, and Size Classification from RF Microwave Signals"。深圳先进院博士研究生 Saheed Salahudeen Abdullahi 为第一作者，聂泽东研究员为通讯作者。乳腺癌是全球女性面临的重大健康挑战之一，其有效防治高度依赖早期、可靠且可重复的诊断手段。传统乳腺影像技术，如乳腺X线摄影、磁共振成像和计算机断层扫描，虽然在临床诊断中发挥重要作用，但通常存在设备成本高、可及性受限、检查流程复杂或不适合频繁重复监测等问题。相比之下，射频（radio frequency, RF）射频成像与感知技术具有无电离辐射、低功耗、可小型化和潜在可穿戴化等优势，能够通过探测健康组织与肿瘤组织之间的介电特性差异，为乳腺疾病筛查与连续健康监测提供新的技术路径。围绕乳腺RF信号的智能诊断需求，中国科学院深圳先进技术研究院聂泽东研究员团队提出了基于 RF-BreastNet 的射频物理深度学习框架，相关成果发表在IEEE Transactions on Antennas and Propagation国际TOP 期刊 "RF-BreastNet: An Augmented Hierarchical Feature Extraction Framework for Breast Tumor Detection, Localization, and Size Classification from RF Microwave Signals"。深圳先进院博士研究生 Saheed Salahudeen Abdullahi 为第一作者，聂泽东研究员为通讯作者。研究团队提出的RF-BreastNet能够直接从RF信号中提取关键特征，实现乳腺肿瘤检测、空间定位和尺寸分类三项任务的联合分析。与依赖复杂图像重建的传统流程不同，RF-BreastNet 面向 S 参数信号开展无重建分析，同时融合 S11 反射系数、S21 透射系数以及乳腺结构相关解剖元数据，使模型能够捕获空间传播、组织响应和介电特性变化等多维信息，从而提高乳腺肿瘤识别的准确性和鲁棒性。实验结果显示，RF-BreastNet 在乳腺肿瘤检测任务中的准确率达到 97.19%，肿瘤定位任务中的 R² 达到 93.37%，肿瘤尺寸分类准确率达到 98.35%。在多种数据增强策略中，幅度扭曲表现出最稳定且综合性能最优的结果，说明符合信号物理特性的增强方法对于提升微波乳腺成像分析性能具有重要价值。该研究展示了多模态射频信号感知与层级特征提取技术在无重建乳腺肿瘤分析中的应用潜力。RF-BreastNet 不仅能够判断肿瘤是否存在，还能够进一步估计肿瘤空间坐标并识别尺寸类别，为未来便携式、低成本、可重复的乳腺筛查系统提供了重要方法基础，尤其适用于基层医疗、资源受限地区和需要长期随访的健康管理场景。值得进一步关注的是，该研究的意义并不局限于乳腺肿瘤诊断。射频信号具有无电离、低功耗、可非接触/近场部署、对组织介电变化敏感以及较好隐私保护等特点，有望成为主动健康和具身智能系统中的重要感知模态。在主动健康场景中，射频传感可与可穿戴设备、床旁设备、智能座椅、居家养老终端或康复机器人结合，用于体征监测、组织状态评估、风险预警和干预反馈，推动健康管理从“被动检测”走向“连续感知—智能评估—闭环干预”。在具身智能场景中，射频感知可为机器人、机器狗和智能座舱提供不同于视觉、语音和触觉的身体状态感知能力，使其在保护隐私的同时更好地理解人体状态、接触关系和潜在健康风险，从而提升人机协作、居家照护、康复训练和安全防护等场景的适应性与可靠性。原文链接图1 RF-BreastNet 乳腺肿瘤诊断整体架构框架图2 乳腺RF成像数据采集系统

2026-07-28

南海海洋所 | 研究找到海参的“眼睛”

近日，中国科学院南海海洋研究所水产品种创制与高效养殖全国重点实验室、热带海洋生物资源与生态实验室胡超群/陈廷研究员团队与陕西师范大学刘洋教授团队合作，在海参光感受机制方面取得重要进展。相关研究成果以“A pentaradial and bilateral combined photoreception system in the sea cucumber is mediated by a blue light-sensitive r-opsin”为题发表于国际顶级综合期刊Advanced Science（IF=14.1）。中国科学院南海海洋研究所硕士生黄佳升、研究员任春华、硕士生秦洲、研究员罗鹏与陕西师范大学博士生崔一萌、硕士生张冰冰为论文共同第一作者，中国科学院南海海洋研究所研究员陈廷与陕西师范大学教授刘洋为论文共同通讯作者。动物的视觉多样性及其形成机制是进化生物学最热门的问题之一。在海洋无脊椎棘皮动物中，海胆、海星、蛇尾和海百合各有独特的视觉器官，而海参多在海底栖息爬行，虽然具有感光能力，但一直没有找到它们的“眼睛”。研究以南海广泛分布的玉足海参作为对象，本研究发现其对白光和蓝光均有明显的避光反应，对绿光和紫外光的避光反应较弱，而对红光则完全没有响应，其前端口触手、背部疣足和腹部管足为光敏感区域。棘皮动物的视蛋白家族虽然发生扩张，但具有感光功能的基因却发生收缩。在玉足海参成体中，仅有一个具有视黄醛结合位点的视蛋白在感光区域表达。该视蛋白为杆状视蛋白（r-opsin），具有蓝光光敏感性，最大吸收波长为459 nm，感光后能激活下游Gq信号通路。表达r-opsin的细胞分布于玉足海参前端、背部与腹部，形成了三种形态特化的光感受结构，即“触手眼”、“疣足眼”和“管足眼”。这些光感受器经由神经索连结，构成了一个完整的光感受系统，兼具五辐射对称动物的弥散型光感受模式与两侧对称动物前端集中光感受模式的特征。该研究通过“基因->蛋白->细胞->器官->系统”的反向思路，描述了海参独特的“眼睛”，为海洋生物视觉多样性与视觉演化机制提供了新认知，并可为通过光调控促进海洋牧场海参增养殖提供了理论依据。本研究由广东省自然科学基金、国家自然科学基金、广东省现代化海洋牧场适养品种核心技术攻关项目等共同资助完成。相关论文信息：Huang JS#, Ren CH#, Qin Z#, Cui YM#, Zhang BB#, Luo P#, Wang X, Xie YQ, Zhang X, Yan AF, Zhang Y, Fan DD, Liu Y(1), Pan WJ, Jiang X, Yuan LH, Qin HP, Irwin DM, Hu CH, Liu Y(2)*, Chen T*. A pentaradial and bilateral combined photoreception system in the sea cucumber is mediated by a blue light-sensitive r-opsin. Advanced Science (2026): e12095.原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202512095图1 海参的三种“眼睛”（触手眼、疣足眼、管足眼）图2 棘皮动物各个纲（海百合、蛇尾、海星、海胆、海参）光感受结构的比较

2026-07-29