《Nature》20210225最新9篇前沿研究導讀(譯文)

Published: 25 February 2021

https://www.nature.com/

Table of Contents (目錄)

1. Nature最新：量子網絡中的確定性多量子位糾纏

Deterministic multi-qubit entanglement in a quantum network

Youpeng Zhong, Andrew N. Cleland 分子工程

2. Nature揭示：骨形成和淋巴生成的機械敏感性小動脈周圍生態位

A mechanosensitive peri-arteriolar niche for osteogenesis and lymphopoiesis

Bo Shen, Sean J. Morrison 醫學

3. Nature發現：海馬–前額葉神經迴路的重置有助於學習

Reset of hippocampal–prefrontal circuitry facilitates learning

Alan J. Park, Joshua A. Gordon 綜合神經科學

4. Nature最新：早產兒微生物群聚集的多界生態驅動因素

Multi-kingdom ecological drivers of microbiota assembly in preterm infants

Chitong Rao, Seth Rakoff-Nahoum 傳染性疾病

5. Nature發現：基於單細胞蛋白質基因組學的細胞周期的時空解剖

Spatiotemporal dissection of the cell cycle with single-cell proteogenomics

Diana Mahdessian, Emma Lundberg 化學工程科學

6. Nature發現：固硫在營養限制期間促進多細胞生長

Sulfur sequestration promotes multicellularity during nutrient limitation

Beth Kelly, Erika L. Pearce 免疫生物學、表觀遺傳學

7. Nature發現：記憶狀態、返回狀態並從狀態中進行探索

First return, then explore

Adrien Ecoffet, Jeff Clune 智能學習

8. Nature揭示：核裂變角動量的產生

Angular momentum generation in nuclear fission

J. N. Wilson, D. Thisse核物理學

9. Nature最新：穩態微聚束機理的實驗論證

Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching

Xiujie Deng, Jörg Feikes工程物理學

 

 

 

1. Nature最新：量子網絡中的確定性多量子位糾纏Deterministic multi-qubit entanglement in a quantum networkYoupeng Zhong, Andrew N. Cleland 分子工程

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03288-7

摘要

在大規模量子通信和計算網絡中，高保真分布式多量子位糾纏的產生是一項困難任務。學者已使用光子和聲子證明了兩個遠程量子位元的確定性糾纏。然而，由於有限的狀態傳輸保真度，多量子位元糾纏的確定性產生和傳輸尚未得到證實。本研究報導了一個由兩個超導量子節點組成的量子網絡，節點由一米長的超導同軸電纜連接，每個節點包含三個相互連接的量子位元。通過將電纜直接連接到每個節點的一個量子位元上，在過程保真度為0.911±0.008的節點之間傳輸了量子態。還在一個節點上製備了三量子位格林伯格–霍恩–蔡林格（GHZ）態，並確定性地將該態轉移到了另一個節點上，轉移態的保真度為0.656±0.014。進一步利用該系統確定地生成全局分布的雙節點六量子位GHZ態，態保真度為0.722±0.021。對於真正的多體糾纏，GHZ態保真度明顯高於1/2的閾值，表明該架構可將多個超導量子處理器連貫連接在一起，為構建大規模量子計算機提供了一種模塊化方法。

 

 

2. Nature揭示：骨形成和淋巴生成的機械敏感性小動脈周圍生態位A mechanosensitive peri-arteriolar niche for osteogenesisand lymphopoiesisBo Shen, Sean J. Morrison 醫學

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03298-5

摘要

表達瘦素受體（LEPR）的成體骨髓基質細胞是包括幹細胞因子（SCF）在內的生長因子的重要來源，用於維持造血幹細胞和早期限制性祖細胞。LEPR+細胞是異質性的，包括骨骼幹細胞、成骨和成脂祖細胞，雖然很少有標記來區分這些子集或比較其功能。本研究發現根據成骨生長因子骨凝集素的表達，可以區分小動脈周圍的骨生成LEPR+細胞與竇周脂肪形成LEPR+細胞（但保留成骨潛能）。小動脈周圍的LEPR+骨凝集素+細胞為迅速分裂的短壽命成骨祖細胞，在骨折後數量增加，在衰老過程中消耗殆盡。從成體骨凝集素+細胞中敲除Scf並不影響造血幹細胞或大多數限制性祖細胞的維持，但減少了常見的淋巴祖細胞，損害了淋巴細胞的生成、細菌清除和急性細菌感染後的生存。小動脈周圍骨凝集素+細胞的維持需要機械刺激。自願跑步可增加、而後肢去負荷可減少小動脈周圍骨凝集素+細胞和共同淋巴祖細胞的頻率。骨凝集素+細胞中機械敏感離子通道PIEZO1的缺失導致了骨凝集素+細胞和共同淋巴祖細胞的缺失。這些結果表明，在骨髓中，骨形成和淋巴生成的小動脈周圍生態位是由機械刺激維持的，並在衰老過程中耗竭。

 

 

3. Nature發現：海馬–前額葉神經迴路的重置有助於學習Reset of hippocampal–prefrontal circuitry facilitateslearningAlan J. Park, Joshua A. Gordon 綜合神經科學

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03272-1

摘要

快速適應新環境的能力對生存至關重要，而在許多神經精神疾病中，這種靈活性受到了損害。因此，理解新奇刺激是否可以以及如何準備或啟動大腦迴路，以促進認知靈活性，具有重要的翻譯相關性。暴露於新奇刺激會募集海馬體和內側前額葉皮層（mPFC），並可能為隨後的學習相關可塑性啟動海馬體–前額葉神經迴路。本研究發現，新奇刺激重置了連接腹側海馬體（vHPC）和mPFC的神經迴路，促進了克服既定策略的能力。通過將vHPC活動重組為局部塞塔腦波（4–12 Hz）振蕩，並削弱現有的vHPC–mPFC連接，小鼠暴露於新奇刺激會破壞先前的編碼策略。隨著小鼠適應新任務，vHPC神經元發展出新的任務相關活動，vHPC–mPFC連接增強，mPFC神經元更新以編碼新的規則。然而，由於缺乏新穎性，小鼠還是堅持自己既定的策略。阻斷多巴胺D1受體（D1Rs）或抑制vHPC中表達D1Rs的新穎性標記細胞，可以阻止新奇刺激的這些行為和生理效應。此外，D1Rs的激活也與新奇刺激的作用有相似之處。這些結果表明，新奇刺激通過D1Rs介導的vHPC–mPFC神經迴路的重置促進自適應學習，從而使隨後與學習相關神經迴路具有可塑性。

 

 

4. Nature最新：早產兒微生物群聚集的多界生態驅動因素Multi-kingdom ecological drivers of microbiota assembly inpreterm infantsChitong Rao, Seth Rakoff-Nahoum 傳染性疾病

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03241-8

摘要

早產嬰兒腸道微生物群的發育是可預測的，出生後，先鋒菌群在腸道內定居，隨後是微生物的有序演替。腸道微生物群對早產兒的健康至關重要，但塑造這些可預測的微生物群組裝動態的力量尚不清楚。環境、宿主和微生物間相互作用都可能引起微生物群的動態變化，但在這樣一個複雜的生態系統中，確定任何單個因素的具體作用還很困難。本研究使用多界絕對豐度量化、生態模型和實驗驗證來應對這一挑戰。對178名早產兒的細菌、真菌和古菌的絕對動態進行了量化。研究發現了微生物的繁殖和滅絕，並表明嬰兒腸道中的細菌和真菌數量呈負相關。體外和體內計算和實驗證明，可預測的組裝動力學可能是由特定微生物之間的直接環境依賴相互作用驅動的。克雷伯氏菌（Klebsiella）是微生物群系中的一個後發成員，它反映了宏觀生態系統的動態，利用先鋒微生物葡萄球菌（Staphylococcus）在腸道中立足。值得注意的是，研究發現不同界之間的相互作用可以影響聚集，僅單個真菌物種——白色念珠菌——就抑制了多個腸道細菌優勢屬。本研究揭示了簡單微生物–微生物相互作用在形成宿主相關微生物群中的中心地位，這對於我們理解微生物群生態學和針對性的微生物群幹預都是至關重要的。

 

 

5. Nature發現：基於單細胞蛋白質基因組學的細胞周期的時空解剖Spatiotemporal dissection of the cell cycle withsingle-cell proteogenomicsDiana Mahdessian, Emma Lundberg 化學工程科學

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03232-9

摘要

細胞周期，即細胞生長和分裂的過程，是生命的基本過程。細胞周期的失調會帶來毀滅性的後果，包括癌症。細胞周期是由蛋白質在時空上的精確調控驅動的，這創造了個體增殖細胞之間的差異性。據我們所知，目前還沒有對這種細胞間蛋白質組學變異的系統研究。通過整合亞細胞解析度的蛋白質組學、單細胞轉錄組學和細胞周期中單個細胞的精確時間測量，本研究提供了人類蛋白質組學的全面時空異質性圖。本研究發現，大約五分之一的人類蛋白質組表現了細胞-細胞變異，鑑定了數百種以前未知的與有絲分裂和細胞周期相關的蛋白質，並提供證據表明其中一些蛋白質具有致癌功能。研究結果表明，細胞周期進程只能解釋不到一半的細胞-細胞變異，而且大多數周期蛋白是在翻譯後被調控，而不是通過轉錄組周期調控的。這些蛋白被調節細胞命運的激酶不成比例地磷酸化，而不同細胞之間的非循環蛋白更有可能由調節代謝的激酶修飾。將這個細胞周期的空間解析蛋白質組圖整合到了人類蛋白質圖譜中，並將其作為加速人類細胞周期和細胞增殖的分子的研究資源。

 

 

6. Nature發現：固硫在營養限制期間促進多細胞生長Sulfur sequestration promotes multicellularity duringnutrient limitationBeth Kelly, Erika L. Pearce 免疫生物學、表觀遺傳學

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03270-3

摘要

盤基網柄菌（Dictyostelium discoideum ）的行為取決於營養物質。當有食物充足時，這些變形蟲以單細胞狀態存在，但飢餓時聚集成多細胞生物。這種生物學特性使盤基網柄菌成為研究基本代謝如何控制細胞分化和功能的理想模型。本研究發現，由於營養限制而產生的活性氧導致了半胱氨酸鰲合在抗氧化劑穀胱甘肽中。這種鰲合限制了半胱氨酸硫原子在促進線粒體代謝和細胞增殖過程中的使用，如蛋白質翻譯和含鐵硫簇的酶的活性。受調控的固硫使盤基網柄菌保持非增殖狀態，為多細胞發育鋪平了道路。這種通過活性氧物種發出信號的機制強調了氧和硫是指示早期真核生物細胞命運的簡單信號分子，並暗示了多細胞真核生物對營養波動的反應。

 

 

7. Nature發現：記憶狀態、返回狀態並從狀態中進行探索First return, then exploreAdrien Ecoffet, Jeff Clune 智能學習

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03157-9

摘要

強化學習可通過只指定高層次獎勵功能來自動解決複雜序貫決策問題。然而，當簡單直觀的獎勵只提供較少欺騙性反饋時——情況常常如此，強化學習算法就會陷入困境。要避免這些陷阱，需要對環境進行徹底的探索，但創建能夠做到這一點的算法仍然是該領域的核心挑戰之一。本研究假設，有效探索的主要障礙在於算法忘記了如何到達之前訪問過的狀態（分離）且未能首先返回探索之前的狀態（脫軌）。本研究引入了一系列算法Go-Explore，通過簡單原則，包括明確「記住」有希望狀態並在有意探索前返回這些狀態，直接解決這兩種挑戰。Go-Explore解決了所有之前未解決的雅達利遊戲，並超越了所有艱難探索遊戲的技術水平，在《蒙特祖瑪的復仇》和《陷阱》中提高了大挑戰的數量級。本研究展示了Go-Explore在稀疏獎勵的拾取-放置機器人任務中的實際潛力。此外，還發現加入目標條件策略可以進一步提高Go-Explore的探索效率，並使其能夠處理整個訓練過程中的隨機性。Go-Explore的顯著性能表明，記憶狀態、返回狀態並從狀態中進行探索的簡單原則是一種強大而普遍的探索方法，這一見解可能對創造真正智能的學習代理至關重要。

 

 

8. Nature揭示：核裂變角動量的產生Angular momentum generation in nuclear fissionJ. N. Wilson, D. Thisse核物理學

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03304-w

摘要

學者發現重原子核分裂（裂變）時產生的碎片會旋轉。40多年來，這種現象一直是核物理學界的一個謎題。對於自旋最初為零或幾乎為零的系統來說，在每個碎片內部通常產生6或7個單位角動量，這特別令人困惑。目前還沒有實驗結果能決定性地區分關於角動量產生機制的許多相互競爭的理論。然而不同理論都有一個共識：集體振動模式的激發在核分裂（預分裂）之前產生本徵自旋。本研究表明，碎片夥伴的自旋之間沒有顯著的相關性，這使我們得出以下結論：裂變中的角動量實際上是在核分裂（後分裂）後產生的。本研究提供了綜合數據表明，平均自旋對質量有高度依賴性，呈鋸齒狀分布。本研究觀察到碎片自旋對伴核的質量或電荷沒有明顯依賴性，證實了自旋機制不相關的後分裂性質。為了解釋這些觀測結果，本研究提出，核子在裂變系統斷裂頸部的集體運動產生了兩個獨立力矩，類似於橡皮筋的斷裂。根據統計理論，基於角動量狀態佔據的參數化方法很好地描述了實驗數據的全部範圍。對於富中子同位素結構的研究以及超重元素的合成和穩定性，這種對旋轉核裂變作用的見解不僅對裂變的基本理解和理論描述非常重要，並且也會對核反應堆中γ射線加熱問題產生影響。

 

 

9. Nature最新：穩態微聚束機理的實驗論證Experimental demonstration of the mechanism of steady-statemicrobunchingXiujie Deng, Jörg Feikes工程物理學

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03203-0

摘要

使用粒子加速器作為光子源使科學和技術取得了進展。目前，這類光源的主力是基於儲存環的同步輻射設備和基於線性加速器的自由電子雷射器。同步輻射設備發射的光子具有高重複率，但由於時間不相干性，功率相對較低。自由電子雷射器產生的輻射具有很高的峰值亮度，但其重複頻率受到驅動源的限制。已有人使用穩態微聚束（SSMB）機制產生了太赫茲到極紫外尺度的高重複率、高功率輻射。這是通過在電子儲存環內依次穩態使用基於微聚束的多粒子相干增強輻射來實現的。揭示SSMB作為未來潛力光子源的關鍵步驟是在真實機器上演示其機制。本研究對SSMB機制進行了實驗演示。研究表明，在1064納米波長的雷射誘導能量調製後，存儲在準等時環中的電子束可以產生亞微米微束和相干輻射。研究結果證實了，電子的光學相位可以在亞雷射波長精度下依次相關。在此相位相關的基礎上，本研究期望通過鎖相雷射器來實現SSMB，此雷射器依次與電子相互作用。本研究的演示在實現基於SSMB的高重複率、高功率光子源方面具有裡程碑意義。