科研进展--中国科学院广州分院

Nano Letters｜东莞材料所研制可重构二维激活神经元器件，为高能效人工智能硬件部署提供新方案

近日，中国科学院东莞材料所/松山湖材料实验室梁齐杰研究员与中山大学侯仰龙教授在二维激活神经元器件领域取得重要进展。研究团队提出一种可重构的二维激活神经元，通过二维异质结构实现数字-模拟混合处理功能。在二维通道内采用栅极-漏极重叠设计，使同质结中带间隧穿效应得以实现，从而使得激活神经元能够动态调节亚阈值摆幅和阈值电压。相关研究成果以“Reconfigurable two-dimensional activation neuron device”为题发表于《Nano Letters》。随着人工智能加速向边缘计算终端延伸，神经网络硬件正朝着高能效、高集成方向快速发展。然而，作为神经网络的重要组成部分，激活函数目前仍主要依赖CMOS外围电路实现，不仅增加了系统面积和功耗，还带来了频繁的数据转换与搬运开销，成为制约类脑芯片进一步发展的关键瓶颈。如何利用器件本身直接完成非线性激活，并兼顾数字逻辑处理能力，是神经网络硬件领域的重要科学问题。针对上述问题，研究团队提出了一种基于二维范德华异质结构（hBN/MoS2/hBN）的可重构二维激活神经元器件。该器件创新性引入栅极-漏极重叠（GDO）结构，在单个二维器件中实现Softplus激活函数，并首次将数字逻辑与模拟激活两种计算模式集成于同一器件，为神经网络硬件提供了新的器件架构。图1. 可重构二维激活神经元器件。(a)-(b) 生物大脑和神经元结构的示意图。(c) 具有突触和激活神经元的神经网络硬件实现。(d) 二维激活神经元的示意图。(e) hBN/MoS2/hBN异质结的透射电子显微镜图像及其对应的EDS分析结果。(f) 模拟Softplus激活函数的输出电流曲线。(g) 不同激活神经元性能的对比。实现激活函数的关键，在于构建连续、可调的非线性输出特性。研究团队利用GDO结构在漏端形成可调控同质结，通过顶栅、底栅与漏极偏压的协同调控，引入带间隧穿（Band-to-Band Tunneling，BTBT）机制，实现亚阈值摆幅与阈值电压的动态重构，使器件输出自然逼近Softplus激活函数。结合能带分析、TCAD数值模拟及解析模型，系统揭示了BTBT主导非线性激活行为的物理机制，实现了器件结构设计与理论模型之间的相互印证。图2. GDO结构实现可重构非线性激活。(a) 实线：初始能带结构（记为I型）；虚线：施加较大负值底部栅极电压时的能带结构（记为II型）。(b) 虚线：施加漏极电压时的能带演化（记为III型），导致源极/漏极和横向电场出现非对称的能带分布。(c) 虚线：施加负值顶部栅极电压时的能带演化（记为IV型）。(d) 虚线：施加正值顶部栅极电压时的能带演化（记为V型），在漏极处形成BTBT窗口。(e) GDO结构的转移曲线显示，随着Vd增大，亚阈值摆幅将增加且阈值电压向左移动。(f) 分析模型与实验结果具有良好的一致性。得益于二维材料优异的载流子调控能力和GDO结构设计，该器件表现出优异的综合性能。器件漏电功耗低至10 pW，较传统模拟CMOS方案降低约九个数量级，单次运行能耗仅19.31 pJ。此外，研究团队进一步验证了该器件能够与多种二维突触器件稳定集成，无需改变神经元结构即可完成激活处理，展现出良好的通用性和兼容性。在神经网络应用中，该器件拟合得到的Softplus激活函数分别应用于LeNet-5卷积神经网络和多层感知机（MLP）中，分类准确率分别达到98.84%和98.26%，验证了器件满足神经网络训练对激活函数连续可导、梯度稳定等要求。图3. 激活神经元的性能与神经网络验证。(a)-(b) 用于模拟二维激活神经元的LeNet-5和MLP网络示意图。(c) 将归一化输出电流与Softplus激活函数特性进行拟合。(d)-(e) 使用LeNet-5网络中Softplus层激活函数的神经网络和MLP网络的准确率。为进一步验证GDO结构的重要作用，研究团队设计了底部重叠栅（BOGD）和传统双栅（DGD）等对照器件。实验结果表明，对照器件均难以实现亚阈值摆幅和阈值电压的协同调控，无法稳定拟合Softplus激活函数，在神经网络训练中出现梯度爆炸、梯度消失等问题。相比之下，GDO结构能够稳定调控BTBT过程，为器件实现可重构非线性激活提供了关键支撑。图4. GDO结构对器件性能的关键作用。(a) 带GDO结构的2D激活神经元。(b) BOGD器件，其漏极下方和MoS2沟道下具有重叠栅极1的结构。(c) DGD器件，无漏极重叠栅结构。(d) BOGD结构中栅极1的转移曲线（对数形式）。(e) 将归一化输出电流（BOGD）拟合到函数上。(f) 使用拟合函数（BOGD）训练CNN网络。(g) DGD结构中栅极1的转移曲线（对数形式）。(h) 将归一化输出电流（DGD）拟合到函数上。(i) 使用拟合函数（DGD）训练CNN网络。除模拟激活外，该器件还可通过双栅协同调控实现OR逻辑等数字运算，在同一器件中实现数字逻辑与模拟激活之间的动态切换，构建数字-模拟混合处理模式。基于这一特性，研究团队搭建了由7个二维激活神经元组成的硬件图像边缘检测系统，实现数字图像向模拟信号转换及边缘增强处理，展示了其在边缘智能、存算一体和类脑计算中的应用潜力。图5. 数字-模拟混合处理及应用验证。(a) 示意图展示了当前3位DAC的结构及扫描电镜图像。(b) 边缘检测处理单元的电路结构。(c) 当Vd = 1V和Vd = -1V时，带位输入的DAC波形。(d) 使用V1作为门控输入的正负电流3位DAC的转移曲线。(e) 正负电流3位DAC的数字到模拟输出。(f) 用于边缘检测的原始图像。色标表示图像中3位像素的强度。(g) 整个图像中3位DAC的输出电流。色标表示3位DAC输出电流的总和。(h) 在横向方向上进行3位DAC与自动对焦（AF）操作期间，边缘检测单元的输出电流。文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.6c02085来源：前沿与交叉科学研究部

2026-07-14

南海海洋所 | 研究揭示基于表层漂流浮标与OSCAR的黑潮延伸体和湾流观测变化

近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境与岛礁生态全国重点实验室海洋动力热力过程及其环境效应研究团队在黑潮延伸体与湾流变化研究中取得进展。基于漂流浮标与OSCAR数据，揭示1998–2023年间两股西边界流强度存在显著年代际振荡，振幅远超长期趋势，并与北大西洋海温异常跨盆地相关，湾流同步响应，黑潮延伸体滞后约23个月。同时，两股流均呈向极地迁移趋势，尤其在流速增强期（2011–2023年）更为突出。该成果以“Observed Changes in the Kuroshio Extension and Gulf Stream Based on Surface Drifter and OSCAR”为题发表在国际地学期刊《Journal of Geophysical Research: Oceans》上。该论文第一作者为博士生龚文豪，通讯作者为研究员杜岩，核心研究成员包括同单位的博士生郑宇航、副研究员王闵杨、博士后吴炜、研究员张玉红、副研究员陈泽生。黑潮延伸体与湾流是北半球最强劲的两支西边界流，通过经向热量输运和海气交换深刻影响区域气候与大气环流。在全球增暖背景下，这两支流系的强度变化和空间位移受到广泛关注。以往研究多依赖卫星高度计或再分析资料，揭示出长期增强和向极移动的趋势。然而，由于缺乏长期连续的原位流速观测，这些变化信号在不同数据源之间尚存争议，尤其是长期趋势与年代际变率的贡献难以厘清，制约了对黑潮延伸体与湾流变化实质的准确认识。本研究基于NOAA全球漂流浮标直接观测与OSCAR卫星遥感流场数据，系统分析了1998–2023年间黑潮延伸体（KE）与湾流（GS）的变化特征，主要发现如下：过去26年间，KE和GS均表现出强烈的年代际尺度振荡，其振幅远超长期线性趋势（图1）。两支流系的流速约在2001年达到峰值，2010年左右降至谷底，此后逐步回升。来自漂流浮标的直接观测未检测到显著线性趋势，OSCAR网格数据虽显示微弱正趋势但不显著，表明内部年代际变率而非单调趋势是观测期内影响这两支西边界流表层流速变化的主导因素。图1 1998–2023年KE与GS区域流速时间序列（漂流浮标与OSCAR）KE和GS的年代际振荡与北大西洋中纬度（NAM）海表温度（SST）异常呈显著相关。GS强度与NAM SST近乎同步变化（相关系数0.94），而KE滞后约23个月（相关系数0.69）。EOF分析表明，NAM SST的主导模态与北太平洋中纬度海面高度异常和纬向风的第一模态在相位上紧密锁扣（图2）。研究提出，NAM SST异常激发准定常罗斯贝波列沿西风急流波导向下游传播，调制北太平洋风应力旋度和纬向风场；该大气强迫通过埃克曼泵送改变海面高度梯度，进而调控KE地转流速。图2 （a）NAM海表温度与（b）北太平洋纬向风、（c）海面高度EOF第一模态及（d）对应主成分KE和GS均表现出显著的向极（北向）迁移，且在流速增强期（2011–2023年）较减弱期（1998–2010年）更为突出。KE呈现经向偶极子结构（北侧加速、南侧减速），GS则表现为一致的北侧加速（图3）。这些空间变化与北半球副热带纬向风和风应力旋度的北移高度一致，证实了大气强迫的驱动作用。图3 2011–2023年KE（a）与GS（b）流速趋势空间分布（漂流浮标）该研究获得国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、广东省自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、广州市科技计划项目等联合资助。论文信息：Gong, W., Zheng, Y., Wang, M., Wu, W., Zhang, Y., Chen, Z., & Du, Y.*. Observed changes in the Kuroshio Extension and Gulf Stream based on surface drifter and OSCAR. Journal of Geophysical Research: Oceans, 131, e2026JC024135 (2026). 原文链接：https://doi.org/10.1029/2026JC024135

2026-07-09

会“说话”的鲸：南海抹香鲸的歌声里藏着什么秘密？

近日，中国科学院深海科学与工程研究所（简称中国科学院深海所）海洋哺乳动物与海洋生物声学研究团队在《Journal of the Acoustical Society of America》在线发表题为《Acoustic characterization of sperm whale population structure and social organization in the South China Sea》的研究论文。该研究以南海抹香鲸为研究对象，揭示了南海抹香鲸的发声及群体结构特征，提出了南海抹香鲸的太平洋起源假说。深海里的“摩斯密码”在南海深处，一种巨大的生物正在用“咔哒”声（clicks）彼此交流着。这些声音短促而有力，像敲击声，又像某种神秘的摩斯密码。它们就是现今地球上体型最大的齿鲸——抹香鲸。抹香鲸的头部巨大，约占体长的三分之一，内部有一个非常特殊的名为“鲸脑油”的器官。这不仅是它们深潜的浮力调节器，更是一台精密的“声呐发射器”。抹香鲸可以通过它发出短促的“咔哒”声，用于回声定位——在黑暗的深海中探测猎物并避开障碍物。但抹香鲸的“咔哒”声不仅仅只是导航工具，在社交场合，抹香鲸会将几个咔哒声组合成短促而有节奏的序列进行对话，这类序列被称为“密码曲”（Codas），又称“尾声”。之所以起这个名字，是因为早期研究人员发现，它总是出现在长串回声定位咔哒声的末尾，宛如交响乐章结尾的“尾声”。一段密码曲通常持续 0.5 到 2 秒，由 3 到十几个咔哒声组成，拥有独特的节奏与间隔。正如人类语言中的词汇一样，密码曲是抹香鲸交流信息、确认彼此身份的基本单元。更有趣的是，不同群体不同海域的抹香鲸会使用不同的密码曲集合，就像不同地方的人讲着不同的方言。这些方言并非天生，而是通过后天学习代代传承的。抹香鲸宝宝会经历一段“牙牙学语”的时期，尝试各种曲型，直到逐渐掌握所属群体的方言。方言系统相似的不同抹香鲸群体，被研究人员称为“声音氏族”（vocal clans）。在太平洋地区，研究人员已经归纳出了至少七个这样的声音氏族，每个氏族都有自己最典型的发声节奏。这些氏族规模庞大（太平洋约30万头抹香鲸分属七个氏族），其社会组织类似于人类的民族语言群体。然而，关于南海抹香鲸的社会结构和氏族归属，长期以来一无所知。直到最近，一项为期七年的研究终于揭开了答案。七年追鲸：用声音“测量”南海抹香鲸2019年至2025年间，中国科学院深海所的研究团队在南海开展了八次“深潜/远海鲸类”科考航次。他们使用水下声学记录系统，在抹香鲸出没的海域进行被动声学监测。研究区域主要集中在西沙-中沙海域，这里拥有大陆架边缘和陡峭的大陆坡，是深潜鲸类的理想栖息地。2022至2023年，科考进一步扩展至南沙群岛和东沙群岛附近水域。每次航次持续两周到两个月，在海况良好的夏秋季进行。七年间，团队共目击到13次抹香鲸，同时获取了超过1200分钟的声学数据。这些数据包含两种关键的声音信号：用于回声定位的常规咔哒声，以及用于社交交流的密码曲。从常规咔哒声估算体长：谁住在南海？抹香鲸的咔哒声有一个特殊的物理特征，即多脉冲结构。当咔哒声从鲸的头部发出时，会在不同部位产生多次反射，形成多个脉冲（p0、p1、p2、p3……）。这些脉冲之间的时间间隔被称为 “脉冲间间隔”（IPI）。IPI与抹香鲸的体长之间存在稳定的数学关系：抹香鲸越长，IPI越大。研究人员使用机器学习工具CABLE 1.0自动检测和分析了2163个符合标准的常规咔哒声，并根据IPI估算了每头鲸的体长。结果显示估算的动物体长范围在7.74米至12.48米之间，平均体长8.84米，其中90%的个体体长小于10米。而成年雄性抹香鲸通常可达15至18米，而成年雌性一般在11至12米左右。因而体长数据也意味着南海出现的绝大多数抹香鲸是个体较小的雌性和未成年个体。这一结果与研究团队此前发表的目视研究结果相呼应：南海局部海域被证实是抹香鲸的繁育场。雌性抹香鲸和它们的幼崽组成稳定的“社会单元”，共同迁徙、合作育幼、集体防御天敌。南海这片温暖的热带-亚热带海域正是它们的“育儿所”。从密码曲追溯族谱：南海抹香鲸属于哪个“氏族”？如果说咔哒声回答的是“谁在这里”，那么密码曲回答的则是 “它们是谁的族人” 。研究团队从五次目击事件中记录了641段密码曲。这些密码曲大多由4到7个咔哒声组成，其中六咔哒的密码曲最为常见（占比42.28%）。通过3种聚类算法（K-means，OPTICSxi和IDCall）的分析，这641段密码曲被划分为至少20种不同的密码曲类型，其中两个特定的“4+1++1”密码曲类型占据了绝对主导地位。这种“4+1++1”节奏（前四个咔哒声间隔均匀，后两个咔哒声间隔逐渐拉长），正是太平洋地区 “4++氏族”（four-plus clan）的典型特征。“4++”氏族是太平洋七个声音氏族之一，其分布范围从东太平洋的加拉帕戈斯群岛、秘鲁、智利，一直延伸到西太平洋的汤加和巴布亚新几内亚。南海种群的密码曲与这些遥远地区的抹香鲸高度相似，表明南海抹香鲸属于同一个横跨太平洋的“声音氏族”。此外，在菲律宾巴拉望岛西部海域记录的密码曲中并未出现“4+1++1”类型，提示南海不同海域可能存在不同的抹香鲸社会单元。这些发现意味着什么？该研究系统证实，南海是抹香鲸的重要繁育和育幼场所。大量雌性和未成年个体的存在，加上此前多个航次持续观察到抹香鲸育幼群体，使南海符合IUCN“重要海洋哺乳动物区域”（IMMA）的标准。这一结论对于抹香鲸的保护具有重要意义。抹香鲸被世界自然保护联盟（IUCN）红色名录列为 “易危”物种。它们面临船舶碰撞、渔网缠绕和水下噪声等人类活动的威胁。南海作为全球最繁忙的航运通道之一，保护这片抹香鲸繁育海域尤为迫切。抹香鲸的密码曲方言是通过社会学习代代传承的文化特征，而非遗传。不同声音氏族之间即使生活在同一片海域，也保持文化隔离，彼此不混合。南海抹香鲸属于太平洋“4++”氏族，表明这个跨越数千公里的海洋种群拥有共享的声音文化。这为理解抹香鲸的社会结构、迁徙模式和文化传播提供了关键线索。声音氏族是文化定义的社会单元，其规模超越了单纯的地理限制和血缘家族。未来展望这项研究为南海抹香鲸的保护提供了重要的基线声学数据。展望未来，研究者计划扩大时空覆盖，开展跨季节、跨年度的长期连续记录，评估发声行为的季节性变化；拓展空间范围，更广泛的海域覆盖以识别种群结构和迁徙模式；多方法整合，结合声学数据与照相识别、遗传分析和卫星标记，更全面地理解个体和群体的社会结构。南海两千多米深的海底，抹香鲸正在用它们的“咔哒”声交谈、导航、养育后代。这些声音穿越千米海水，被水听器捕获，被算法解析，最终告诉我们，这片海域不仅是鲸类的家园，更是一个承载着声音文化的社会舞台。雌性抹香鲸带着幼崽在这片温暖的海域中成长，用代代相传的密码曲维系着跨越太平洋的氏族纽带。而人类，才刚刚开始听懂它们的语言。论文第一作者为中国科学院大学博士研究生陈浩忠与中国科学院深海所董黎君副研究员。该研究得到国家自然科学基金项目（42225604，42376132，42494883）和海南省科技人才创新项目（KJRC2023B03）的资助。图1. (a)利用无人机从动物正上方拍摄并手动估计抹香鲸体长, (b)南海抹香鲸体长分布情况图2. 南海抹香鲸两种典型“4+1++1”密码曲时频图图3. (a) K-means，OPTICSxi聚类分析结果，(b)加入太平洋氏族数据后的IDCall聚类分析结果

2026-07-09

eLife｜深圳先进院定量合成生物学全国重点实验室开发LUNA自动对焦系统，揭示细菌冷休克新机制

细菌冷休克反应是微生物应对环境温度骤降的核心适应性机制，但其复杂的生理调控过程至今未被充分理解。长期以来，相关研究主要依赖群体水平测量，虽能揭示“生长停滞”等宏观特征，却难以通过在单细胞水平上开展高时空分辨的动态观测来深入解析冷休克反应的调控机制。然而，诱导冷休克所需的快速大幅降温会导致显微镜焦平面发生严重漂移，远超现有自动对焦技术的补偿能力，严重限制了对细菌低温适应机制的研究。细菌冷休克反应是微生物应对环境温度骤降的核心适应性机制，但其复杂的生理调控过程至今未被充分理解。长期以来，相关研究主要依赖群体水平测量，虽能揭示“生长停滞”等宏观特征，却难以通过在单细胞水平上开展高时空分辨的动态观测来深入解析冷休克反应的调控机制。然而，诱导冷休克所需的快速大幅降温会导致显微镜焦平面发生严重漂移，远超现有自动对焦技术的补偿能力，严重限制了对细菌低温适应机制的研究。7月7日，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/合成生物学研究所黄术强研究员团队，在eLife期刊发表了题为"A coma pattern-based autofocusing method resolves bacterial cold shock response at single-cell level"的重要研究成果。团队创新性地开发了一套名为LUNA（Locking Under Nanoscale Accuracy）的自动对焦系统，利用检测光的彗差图案来精确锁定焦平面，将显微镜的聚焦精度提升至3纳米以内，并将有效工作范围扩展至物镜焦深的40倍以上。借助LUNA，研究团队首次在单细胞水平下完整记录了细菌从37°C到14°C冷休克后的全过程动态，颠覆了“冷休克后细菌进入生长停滞期”的传统认知，揭示了细菌持续分裂、经历三阶段适应过程的真实图景，并阐明了其背后的生理机制。细菌的冷休克反应是一种在温度骤降时启动的保守适应性机制。研究这一过程，对于理解微生物在临床和工业环境中的生存策略，以及开发新型抗菌药物和优化低温保存技术等应用，都具有重要意义。过去数十年来，人们对冷休克反应的认识主要来源于种群水平的分析。普遍认为，细菌在冷休克后会立即进入一个生长停滞阶段，表现为光密度（OD）值保持不变，随后再以降低的生长速率重新进入稳态。虽然通过组学方法已鉴定出许多与冷休克相关的关键蛋白，但这些蛋白如何协同调控并最终帮助细胞适应低温，仍尚不清晰。这种局限性的根源在于，传统的种群水平研究掩盖了单个细胞可能存在的异质性行为。基于成像的单细胞生理学分析，凭借其高时空分辨率和通量，已在微生物学研究中取得重要进展，例如揭示持留菌的起源、表型异质性的产生以及细菌“加法器”的尺寸调控模式等。然而，将这类成像方法应用于冷休克反应的定量分析，却面临着独特的技术挑战：诱导冷休克需要在几分钟内将细菌培养基从37°C迅速降至15°C以下，而普通商用显微镜的标准温控系统并不具备这种快速降温的能力。更关键的是，这一剧烈的降温过程会导致严重的热漂移，使显微镜的焦平面发生机械位移，最终造成无法挽回的失焦。在一般的显微成像实验中，要获取统计可靠的单细胞数据，需要在数小时甚至数天内对多个视野维持精确聚焦，因此必须依赖自动对焦系统来补偿无法避免的焦平面漂移。现有的自动对焦方法，无论是基于图像堆栈分析的成像法，还是利用辅助光反射来测量物镜与样品距离的反射法，都存在精度或工作范围的限制，难以满足冷休克研究中快速、大幅温度变化所带来的严苛要求。而计算扩展景深技术虽能在一定程度上扩展轴向范围，但其对分辨率的要求和远超其范围的漂移量，使其同样难以满足本研究的需求。为突破上述局限，本研究开发了名为LUNA的新型反射式自动对焦方法。该方法首次将彗差引入反射激光的衍射图案中，通过分析光斑质心的位移来直接锁定焦平面，无需引入额外的偏移距离，从而从根本上降低了机械噪声。经测试，LUNA实现了低至3纳米的聚焦精度，其有效工作范围更达到物镜焦深的40倍以上，足以应对冷休克研究所需的快速、大幅度温度变化。借助LUNA技术，本研究得以在单细胞水平上连续监测数千个大肠杆菌在冷休克后长达十多个小时的动态变化。结果首次揭示，在传统认知的“生长停滞”阶段内，细菌实际上持续增殖，并经历了一个精细调控的三阶段适应过程：第一阶段（冷休克后约3分钟内）：随着温度的骤降，细菌的生长速率迅速下降，其下降规律与描述化学反应速率的阿伦尼乌斯定律完美吻合，表明这主要是低温对基础生化反应速率的物理性抑制。第二阶段（约3至10分钟）：当温度降至20°C以下（已知的冷休克触发阈值）时，生长速率的下降趋势显著减缓。这可能得益于细菌在常温下就预先储备的一些“冷休克蛋白”开始发挥作用，维持了部分关键的生命活动。第三阶段（10分钟至约2小时）：温度稳定在14°C，生长速率的下降进一步放缓，最终建立起一个新的、稳定的低速生长状态。这一阶段的特征与文献中报道的冷休克蛋白大规模合成、蛋白质翻译效率逐步恢复的分子过程高度一致，首次在单细胞层面为这些分子机制提供了动态、可视化的生理学证据。这种单细胞层面的持续生长与种群水平上的OD值“停滞”现象看似矛盾。为此，研究团队基于光散射理论构建的模型，指出OD值不仅取决于细菌的数量，还受单个细菌的体积和折光率影响。冷休克后，虽然细菌数量在增加，但其个体体积在减小，二者的综合效应导致OD值在一段时间内保持平台期。这一理论模型完美地解释了单细胞与种群数据之间的“悖论”，并通过蛋白总量测量实验得到了验证。本研究不仅颠覆了细菌冷休克反应的传统认知，揭示了三阶段适应过程以及细菌群体在环境压力下的高度协同性与稳健性，更展示了一项核心技术的突破如何直接推动基础生物学研究的边界。LUNA技术凭借其卓越的精度和超大的工作范围，已从物理原理和实测性能上充分证明了其应对极端热漂移的可靠性。该技术不仅解决了冷休克研究的关键难题，更有望广泛应用于超分辨率成像、单分子定位、大体积三维成像等前沿领域，为生命科学研究提供一种稳定、通用且可无缝集成的核心工具。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/合成生物学研究所研究员黄术强为本文通讯作者，课题组的项目高级工程师李思宏、博士生马智鑫、助理研究员于跃为论文共同第一作者。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/合成生物学研究所傅雄飞研究员、香港大学崔晓冬教授为本研究提供了重要指导。本工作获得国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金以及深圳合成生物学创新研究院等项目支持。原文链接文章上线截图图1.基于LUNA的冷休克反应单细胞成像平台及光学原理图示图2.基于LUNA的冷休克反应单细胞动力学研究图3.群体实验分析及散射模型

2026-07-09

Cell Host & Microbe | 深圳先进院定量合成生物学全国重点实验室戴磊团队提出解码肠道菌群的"涟漪效应"

7月8日，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、合成生物学研究所戴磊研究员团队受邀在国际权威期刊Cell Host & Microbe发表题为“Understanding ripple effects in the gut microbiome”的观点文章（Forum article）[1]。文章从系统生物学视角出发，深入阐述了肠道菌群研究中被忽视的“涟漪效应（Ripple Effects）”：在高度互联的肠道微生态系统中，针对单一物种的靶向干预通过复杂的生态互作网络传播，可能引发群落结构与代谢功能的系统性重塑。文章从分子机制与生态机制两个层面系统阐述涟漪效应的形成规律，提出实验与模型相融合的研究范式，为微生物组精准调控提供了新的理论框架。近年来，靶向肠道菌群的调控已成为疾病治疗和健康干预的重要策略之一。然而，在肠道微生态这一复杂系统中，针对特定物种的扰动可能引起整个群落稳态的转变。如何理解和预测这一现象，是微生物组工程的重要科学问题之一。7月8日，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、合成生物学研究所戴磊研究员团队受邀在国际权威期刊Cell Host & Microbe发表题为“Understanding ripple effects in the gut microbiome”的观点文章（Forum article）[1]。文章从系统生物学视角出发，深入阐述了肠道菌群研究中被忽视的“涟漪效应（Ripple Effects）”：在高度互联的肠道微生态系统中，针对单一物种的靶向干预通过复杂的生态互作网络传播，可能引发群落结构与代谢功能的系统性重塑。文章从分子机制与生态机制两个层面系统阐述涟漪效应的形成规律，提出实验与模型相融合的研究范式，为微生物组精准调控提供了新的理论框架。人体肠道是一个高度复杂且动态变化的微生物生态系统，数万亿微生物通过资源竞争、代谢互养、空间占据以及宿主介导调控等方式形成紧密互联的生态网络。随着菌群移植、益生菌、工程菌、合成菌群、噬菌体等不同的菌群干预技术进入临床研究，人们对肠道菌群的调控手段正在不断拓展。然而，大多数微生物组干预策略主要关注目标物种或功能本身的变化，缺乏对整个群落层面生态响应的系统性评估。由于微生态系统具有非线性、动态性和复杂互作的特征，一个微小的扰动对系统的影响，可以通过复杂的种间互作网络不断扩散，如同一颗小石子投入湖面所造成的涟漪，引发远超预期的群落组成和功能变化（图1a）。作者从分子机制和生态机制两个层面阐述了“涟漪效应”的形成与传播规律：在分子机制层面，扰动在微生物群落中的传播主要依赖于代谢互养、生态位重塑以及宿主介导的微生物互作等过程；在生态学层面，涟漪效应可能由少数关键物种（keystone species）主导，其传播强度取决于种间互作强度、网络拓扑结构等特征。为实现对肠道菌群进行系统生物学层面的精准预测与调控，作者提出了实验与模型互相融合的研究范式：一是发展以噬菌体及其裂解酶等为代表的精准干预技术，二是建立人工智能驱动的群落响应预测模型。研究人员通常利用自下而上构建的合成菌群，通过物种移除实验结合多组学时间序列分析，解析特定成员缺失所引发的群落响应。然而，合成菌群与天然菌群在物种复杂度、生态冗余性和宿主关联性等方面仍存在差异，难以完全模拟复杂生态系统。因此，在实验技术方面，需要开发能够在复杂群落中精准移除特定微生物的新方法，例如噬菌体[2]、噬菌体裂解酶[3]等（图1b）。通过对复杂菌群中的特定微生物实施精准扰动，有望解析扰动在肠道菌群生态网络中的传播过程，构建“扰动—响应”的定量映射关系。在预测模型方面，通过神经元微分方程等人工智能方法，学习微生物群落的组装规律[4]，进而预测物种移除或环境扰动对群落组成和功能的影响[5]（图1c）。未来，“涟漪效应”的理解将重塑微生态干预的思路。基于高通量实验数据和人工智能方法，微生物组工程有望实现从针对单一物种的干预，转变为对复杂微生物群落结构和功能的精准预测和调控。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/合成生物学研究所戴磊研究员为本文的通讯作者，课题组的左文龙副研究员为第一作者。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市医学研究专项资金以及深圳合成生物学创新研究院等项目的资助。原文链接[1] Zuo, W et al. Understanding ripple effects in the gut microbiome, Cell Host & Microbe (2026)[2] Shen, J. et al. Large-scale phage cultivation for commensal human gut bacteria. Cell Host & Microbe31, 665-677.e7 (2023).[3]Liu, H. et al. Exploring functional insights into the human gut microbiome via the structural proteome. Cell Host Microbe34, 167-185.e9 (2026).[4]Wang, X.-W. et al. Identifying keystone species in microbial communities using deep learning. Nat Ecol Evol8, 22–31 (2024).[5]Wu, L. et al. Data-driven prediction of colonization outcomes for complex microbial communities. Nat Commun15, 2406 (2024).文章上线截图图1：微生物互作网络引发的涟漪效应

2026-07-09

南海海洋所|我国深海中低频海底底质声学特性原位测量设备研制成功

近日，在中国科学院战略性先导科技专项（A）的支持下，中国科学院南海海洋研究所海底探测技术研发团队自主研制的深海中低频海底底质声学特性原位测量设备，圆满完成海试。该设备在浅水至2200米水深海域开展了系统测试，测量频段覆盖1kHz~10kHz，并同步实现沉积物柱状采样，填补我国深水海域中低频底质声学特性原位测量设备的空白。近日，在中国科学院战略性先导科技专项（A）的支持下，中国科学院南海海洋研究所海底探测技术研发团队自主研制的深海中低频海底底质声学特性原位测量设备，圆满完成海试。该设备在浅水至2200米水深海域开展了系统测试，测量频段覆盖1kHz~10kHz，并同步实现沉积物柱状采样，填补我国深水海域中低频底质声学特性原位测量设备的空白。团队攻克深水中低频换能器设计、声学探杆贯入机构及多通道同步信号采集等多项关键技术，集成研发深海中低频海底底质声学原位测量设备。该设备利用液压贯入模块将阵列式声学接收换能器平稳贯入海底沉积物内部，同时将中低频声学发射换能器布放至海底沉积物表层，根据换能器激发与采集的声波信号，直接精准获取深海原位底质声速、声衰减系数等核心数据。该设备成功研制，可为深远海海底声学特性建模、海洋工程安全评估、海底资源勘探等提供关键支撑，进一步完善了我国海洋声学原位测量装备体系，服务于海洋科学研究与高质量发展事业。设备海试布放

2026-07-07

南海海洋所|研究揭示环境砷污染的代际神经毒性机制

中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境与岛礁生态全国重点实验室近海生态环境与生态安全研究团队在海洋生态毒理研究领域取得新进展。相关研究成果以“Parental arsenic exposure induces anxiety-like behaviors in offspring larvae via maternal lipid accumulation and oxidative stress”为题，发表在Environmental Chemistry and Ecotoxicology（IF 12.3）上。该研究成果的第一作者为助理研究员张婷，通讯作者为研究员张黎，共同第一作者为副研究员柳阳。砷是一种广泛存在的剧毒环境污染物，流行病学调查表明，砷能够穿透血脑屏障等多种生理屏障，可能导致认知缺陷和行为异常，尤为值得警惕的是，妊娠期砷暴露与新生儿及学龄前儿童的神经发育障碍密切相关。尽管已有研究指出砷暴露会损害神经发育，但关于其代际遗传效应及分子传递机制仍知之甚少。特别是，目前尚不清楚这种毒性效应主要是通过父系还是母系传递。研究发现，母体AsV暴露显著降低子代幼鱼的运动能力，并增加其趋触性，子代表现出明显的焦虑和抑郁相关行为。在这些幼鱼中未观察到显著的砷积累，但AsV显著下调了髓鞘及肌肉发育相关的基因表达，提示行为缺陷并非源于砷的直接传递。卵巢结构和脂质代谢分析显示，AsV促进卵巢中脂肪生成，抑制脂质分解，导致卵巢中脂肪的堆积，造成卵母细胞闭锁。此外，AsV下调hsl通过影响脂质降解和雌二醇生物合成来降低胆固醇的释放，造成母本排卵障碍。母体提供过多的卵黄脂质给后代，其诱发氧化应激和脂质过氧化，通过共价修饰改变蛋白质的结构和功能，导致神经元损伤和功能障碍，激活多条炎症信号通路，并促进促炎细胞因子的释放，损害髓鞘完整性和神经递质释放，导致子代行为缺陷。本研究系统揭示了砷暴露、脂质代谢紊乱与子代神经毒性之间的关系，为砷毒性的传播机制提供了见解，并凸显了母体砷暴露对后代的神经健康风险。图1 母体砷暴露通过脂质积累与氧化应激诱导子代焦虑样行为该研究获得国家自然科学基金、海南省自然科学基金项目、广东省科技计划项目等的联合资助。论文信息：Ting Zhang, Yang Liu, Sen Du, Jin Zhang, Li Zhang*. Parental arsenic exposure induces anxiety-like behaviors in offspring larvae via maternal lipid accumulation and oxidative stress. Environmental Chemistry and Ecotoxicology, 2026, 8: 2181–2192原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590182626001074

2026-07-06

Progress in Organic Coatings | 深圳先进院开发PI-PU树脂低聚物实现先进封装基板阻焊薄膜耐热性与机械性能平衡

随着AI等大算力应用场景的快速发展，高性能CPU、GPU对于大尺寸、高层数的封装基板的制造技术和材料提出越来越严苛的标准。阻焊薄膜材料（SR）是先进封装基板的关键材料之一，对光刻显影能力、界面和可靠性都有着极高的要求，平衡热稳定性与机械性能是SR材料研发的重要挑战。随着AI等大算力应用场景的快速发展，高性能CPU、GPU对于大尺寸、高层数的封装基板的制造技术和材料提出越来越严苛的标准。阻焊薄膜材料（SR）是先进封装基板的关键材料之一，对光刻显影能力、界面和可靠性都有着极高的要求，平衡热稳定性与机械性能是SR材料研发的重要挑战。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”）先进电子材料研究所、深圳先进电子材料国际创新研究院研究团队在Progress in Organic Coatings期刊上发表重要研究成果"Balancing Mechanical and Thermal Properties in Epoxy-Based Solder Resists through Polyurethane-Polyimide Hybrids"。针对先进封装基板用阻焊薄膜耐热性与机械性能不平衡等问题进行研究，开发了PI-PU树脂低聚物实现先进封装基板阻焊薄膜耐热性与机械性能平衡。半导体先进封装基板（如FCBGA、FCCSP）是人工智能、大数据、高性能计算、无人驾驶汽车等新兴需求应用的CPU、GPU等高端数字芯片与主板之间的重要连接载体，在高速信号传输、电源分配及热管理中发挥决定性作用。光成像阻焊材料是一种高性能封装基板材料，经过涂布/压膜、烘烤、曝光、显影、固化等过程，在封装基板表面形成特定的图案并覆盖在金属线路表面，形成一种永久的保护层。其主要的作用为防止焊锡搭线造成的短路，可保证印刷电路板在制作、运输、贮存、使用时的安全性。光成像阻焊材料按照产品形态可分为油墨和薄膜两种类型，阻焊薄膜相比于阻焊油墨在表面平整性、开窗精细程度、可靠性（高温高湿耐性、机械性能）等方面更为优越。随着电子器件的薄型化、高集成化发展趋势以及基板尺寸的持续增大，阻焊薄膜材料需要向高玻璃化转变温度、低线性膨胀系数、更小的开窗精度、更优异的抗裂性能等方面发展。传统的阻焊薄膜材料基体树脂主要有两种，改性环氧树脂有良好的热稳定性与附着力，但存在脆性大、柔韧性不足的问题，常导致SR薄膜脆性断裂；环氧丙烯酸酯基体树脂具有优越的柔韧性和光敏性，但其热稳定性和化学稳定性相对较差。两种单组分树脂材料在电子设备高可靠性的应用需求上均具有局限性。因此，开发出兼具刚性和柔韧性、热稳定性和化学稳定性的新SR基体树脂具有重要的研究意义。团队通过分子结构设计，合成了一种含有C=C双键、氨基甲酸酯键和酰亚胺单元的新型多功能低聚物（PI-PU），并制备了特定酸值的碱溶性光固化改性环氧树脂（PE-1），通过二者化学复合进行多尺度协同网络设计，构建了刚性酰亚胺微区-柔性胺脂链段-反应性C=C基团的多尺度协同网络。C=C双键在光固化阶段发生自由基聚合，形成初始交联网络。在随后的热固化阶段，PI-PU和PE-1中丰富的羟基和羧基进一步与热固性树脂发生缩合反应，显著提高了交联密度，从而增强了SR材料的热机械性能。此外，PI-PU中的柔性聚氨酯段有效减轻内部应力并改善粘合性，而PE-1中的刚性酰亚基结构和芳香主链则协同增强了热稳定性和机械强度。该双组分体系通过光固化反应和热固化反应的协同效应实现多尺度协同网络和性能平衡，赋予SR材料卓越的综合性能。该工作阐述了微观结构与宏观性能的关联机制，解决了阻焊薄膜材料在强韧性与耐热性之间的矛盾问题，实现了一系列高性能研究成果：玻璃化转变温度最高达186 ℃，5%热分解温度最高达369 ℃，热膨胀系数最低至30.7 ppm/K；拉伸强度可达94.3 MPa，断裂伸长率5.8%，杨氏模量保持在3.0 GPa；对铜箔的粘附强度最高达4.6 N；介电常数低至3.10；阻焊开孔分辨率可达60 µm；吸水率低至0.39%，水接触角达104.6 °，并具有优异的耐酸碱性及铅笔硬度。本研究通过对SR基体树脂的设计合成、双组分体系的网络构建，主要实现了SR热稳定性能、强度和韧性的协同提升，能有效改善材料在加工、组装和使用过程中的抗热冲击、抗开裂等可靠性表现；揭示了分子结构对材料可靠性的影响机理，在材料设计、性能调控和应用上具有重要科学价值与工程指导意义。所取得的突破性进展，展示出下一代高性能阻焊薄膜材料的巨大应用潜力，为先进电子制造及集成电路基板材料的发展奠定了基础。原文链接图1 PI-PU、PE-1双组分树脂体系的结构与光热固化交联过程图2 SR材料物性及开窗性能

2026-07-08

国家重点研发计划项目“超长重力热管高效开发干热岩地热能关键技术研究”通过结题验收

近日，中国科学院广州能源研究所牵头承担的国家重点研发计划项目“超长重力热管高效开发干热岩地热能关键技术研究”顺利通过由国家自然科学基金委员会高技术研究发展中心组织的综合绩效评价，完成结题验收。近日，中国科学院广州能源研究所牵头承担的国家重点研发计划项目“超长重力热管高效开发干热岩地热能关键技术研究”顺利通过由国家自然科学基金委员会高技术研究发展中心组织的综合绩效评价，完成结题验收。广州能源所蒋方明研究员担任项目负责人，带领项目组历经三年攻关，构建了深部地热基于超长重力热管技术的“采热—传热—用热”到工程验证的全链条技术体系，实现了深部地热基于超长重力热管的变革性取-用热技术从理论到工程应用的跨越。项目在核心技术、装备研制和工程示范等方面取得多项突破性成果。首创“气液分离+阶梯式回流”超长重力热管结构，突破了数千米距离近零㶲损高效热输运的技术难题，建成了全球首条超长重力热管模块化生产线。首创同轴微波辐射造储技术，研制出中低温宽负荷氨透平发电机组和吸附式制冷机组。在河北唐山曹妃甸建成 “热管取热+发电-制冷-供热”深部地热能综合利用示范工程，实现连续发电-制冷运行168小时，峰值采热功率3355 kW，发电模式下最大发电功率33 kW，供暖模式下可向约4万m²建筑近零运行成本提供约55℃热水，均为目前国内外已知单井闭式地热系统公开报道中的领先水平；在山西隰县建成热管耦合热泵的中深层地热供暖示范工程，已完成两个完整供暖季商业化运行，供暖建筑面积约1.8万m²，系统综合COP大于5.2，为同等条件下行业最高能效。项目执行期内，共发表高水平论文42篇，申请发明专利31项，牵头发布团体标准2项，核心技术入选《国家重点推广的低碳技术目录（第五批）》及多个全国性或地方技术目录。本项目是广州能源研究所在地热能领域牵头承担的重大科研任务之一。研究成果为我国深部地热能的高效、清洁、规模化开发利用提供了革新性技术和方案，对推动能源结构转型、服务国家“双碳”战略目标具有重要支撑作用，显著提升了研究所在深部地热开发领域的核心竞争力。项目综合绩效评价会议深部地热基于超长重力热管技术的“采热—传热—用热”到工程验证的全链条技术体系

2026-07-07

Nature Cell Biology｜从“浓度”到“时间”——深圳先进院重新理解细胞通讯的信息维度

细胞如何用同一种信号分子传递出截然不同的指令？这是信号转导领域一个长期未解的根本问题。长期以来，人们默认信息主要编码在分子的“浓度”之中——浓度的高低决定下游响应的强弱。然而，越来越多的证据显示，这一经典图景并不完整：在许多通路中，真正承载信息的，是信号分子活动随时间变化的“动态模式”。读懂这层被长期忽视的“时间维度”，正成为理解细胞决策的关键一环。6月30日，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/合成生物学研究所金帆团队联合中国科学院成都文献情报中心杨帅团队，在国际学术期刊《自然·细胞生物学》（Nature Cell Biology）发表题为"Why the temporal dimension matters in cellular signalling（为什么时间维度对细胞信号至关重要）"的评述文章。文章整合了团队此前关于“信道容量测量”与“第二信使网络解码”的两项研究，构建出一个可定量、可预测、可检验的统一框架，为细胞信号研究从“现象描述”迈向“定量预测”提供了新的视角，并据此论证了“时间编码”（temporal encoding）相较经典“浓度编码”的信息论优势。时间，被长期忽视的信息维度线索源自多种看似无关的信号系统。转录因子NF-κB既可在细胞核内外振荡进出，也可持续停留核内，分子完全相同，却激活不同的下游基因；p53在DNA损伤后，以反复脉冲导向修复，或以单次持续脉冲导向凋亡；酵母Crz1以随机脉冲入核，其频率（而非幅度）反映胞外钙浓度。此外，脉冲式ERK区分增殖与分化，HES1振荡维持神经前体，GnRH频率分别驱动LH与FSH，枯草杆菌σB以频率调制脉冲被激活……跨越细菌、真菌与动物细胞，一个普遍规律正在浮现：信号分子常常把信息编码在时间动态之中。这一“时间码”与经典的“浓度码”并行，并在很多情形下占据主导（图1）。从“现象”到“定量”：两项关键进展时间编码携带信息这一点虽已被认识多年，真正的转折在于它能否被精确地测量与预测。文章以两项进展为支点，说明这一领域正逐步建立坚实的定量物理基础。其一，团队首次测量了一条时间信号通路实际能携带多少信息。借助光遗传学与单细胞荧光读出，研究者在铜绿假单胞菌中隔离出cAMP通路，对信号实现精确的“写入”与“读出”，测得其信息容量约40比特/小时——而单个启动子读取静态浓度仅能分辨约1–2比特。换言之，时间动态把同一分子的信息通量提升了一个数量级以上。其二，团队进一步阐明了频率编码的信息如何被解码为差异化的基因表达。不同启动子各自充当一个“频率滤波器”，因此调节振荡频率，便可在上调一个基因表达的同时抑制另一个；据此引入频率调制，可使可分辨的多基因表达状态扩展约4倍，远超仅靠浓度调控所能企及的范围。这也解释了时间策略为何在演化中被反复采用：振幅调制下改变浓度会使所有靶基因同向移动、表达高度相关，而频率调制则让不同启动子各自响应不同频段，从而解耦表达（图2）。三个待解的核心问题在梳理已有进展之外，文章进一步提炼出三个关键问题，勾勒出该领域下一阶段的研究地图。一、启动子如何“读频”？面对同一个振荡信号，不同基因的响应各不相同，说明启动子本身就扮演着“分子频率滤波器”的角色——有的偏好缓慢持续的信号，有的只对特定频段敏感。要在单个基因座层面把染色质状态、转录因子结合动力学与滤波特性真正对应起来，仍需将单分子追踪与活细胞实时新生RNA成像相结合，这是一道重要的实验前沿。二、短暂、不规则的信号如何解码？现有研究多聚焦于周期性的稳态刺激，而自然界的信号往往短促、无规律。当细胞来不及经历足够多的振荡周期、无法可靠估计频率时，可能需要依赖信号变化率（导数）或自适应阈值等全然不同的策略——这一方向目前几近空白。三、时间编码在多细胞组织中如何运作？在组织中，细胞从不孤立发信，旁分泌通讯、机械耦合与共享的胞外微环境，使任一细胞经历的时间模式都被邻近细胞调制。时间编码与空间编码如何交互、空间平均能否在时间复用之外提供额外的噪声抑制，仍是发育与组织生物学的核心开放问题。“时间”可作一种工程化资源这些原理一旦厘清，便为合成生物学开辟了新的工程化路径。传统上独立调控n个目标基因需配置n对正交的转录因子–启动子，代谢负担随回路复杂度急剧攀升；而“时间复用”（temporal multiplexing）只需一个共享回路，通过改变脉冲频率或占空比，在连续的时间窗内编码不同指令，各目标基因依其启动子的频率响应“按需读取”。竞争同一前体的代谢通路还可被设计为反相或错峰运行，以避免资源争夺——这正是通信领域“时分复用”在生物学层面的映射。其治疗学意义同样值得关注：许多疾病的根源并非分子组分的得失，而是信号动态本身的紊乱（如p53脉冲改变关联肿瘤的差异化损伤响应、NF-κB振荡失调推动炎症慢性化）。据此，或可发展“调律式”治疗——通过药理学手段微调振荡频率或占空比以恢复生理性动态，而非笼统地抑制或激活整条通路。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/合成生物学研究所研究员金帆为本文通讯作者，中国科学院成都文献情报中心副研究员杨帅为第一作者。本工作获得国家重点研发计划、中国科学院先导专项、中国科学院文献情报领域优秀人才项目以及深圳合成生物学创新研究院等项目支持。原文链接文章上线截图图1 跨物种信号传导的时间编码图2 时间编码的定量框架

2026-07-06