研究人员发现神经元能在我们说话前预测我们要说什么

研究人员发现神经元能在我们说话前预测我们要说什么 麻省总医院（MGH）的研究人员最近进行了一项研究，利用先进的大脑记录方法揭示了人脑中神经元的协作功能，从而使人们能够将自己的想法形成文字，并随后用语言表达出来。这些发现共同提供了一幅详细的地图，显示辅音和元音等语音如何在说话之前就在大脑中呈现，以及在语言生成过程中它们是如何串联在一起的。这项发表在《自然》（Nature）杂志上的研究揭示了大脑神经元对语言生成的影响，这将有助于改善对言语和语言障碍的理解和治疗。资深作者、麻省总医院和哈佛医学院神经外科副教授、医学博士齐夫-威廉姆斯（Ziv Williams）说："虽然说话通常看起来很容易，但我们的大脑在自然说话的过程中会执行许多复杂的认知步骤包括想出我们想说的话、计划发音动作以及发出我们想要的声音。我们的大脑以惊人的速度完成了这些壮举在自然语音中大约每秒三个单词，而且错误极少。然而，我们是如何精确地完成这一壮举的一直是个谜"。神经元记录技术的突破威廉姆斯和他的同事利用一种名为"神经像素"（Neuropixels）探针的尖端技术，记录了人脑前额叶皮层单个神经元的活动。他们还发现，大脑中存在着专门负责说话和听力的独立神经元群。在人体中使用 Neuropixels 探头是 MGH 的首创。威廉姆斯说："这些探针非常了不起它们比人类头发丝的宽度还小，却拥有数百个通道，能够同时记录数十甚至数百个单个神经元的活动，因此，使用这些探针可以提供前所未有的新见解，让我们了解人类神经元是如何集体行动的，以及它们是如何共同产生语言等复杂的人类行为的。"威廉姆斯曾与麻省总医院和哈佛医学院神经学教授、医学博士悉尼-卡什（Sydney Cash）合作开发这些记录技术，后者也是这项研究的负责人。解码语音要素这项研究显示了大脑中的神经元是如何代表构建口语词汇所涉及的一些最基本要素的从简单的语音（称为音素）到将其组合成更复杂的字符串（如音节）。例如，"狗"（dog）一词需要辅音"da"，它是通过舌头接触牙齿后面的硬腭产生的。通过记录单个神经元，研究人员发现，某些神经元会在这个音素被大声说出之前变得活跃。其他神经元则反映了构词过程中更复杂的方面，如将音素具体组合成音节。研究人员利用他们的技术表明，可以在个人发音之前可靠地确定他们会说的语音。换句话说，科学家可以在实际说话之前预测辅音和元音的组合。利用这种能力，可以制造出能够产生合成语音的人工假肢或脑机接口，这将使一系列病人受益。这项研究的共同作者阿尔琼-卡纳（Arjun Khanna）说："在多种神经系统疾病中都能观察到语音和语言网络的中断，包括中风、脑外伤、肿瘤、神经退行性疾病、神经发育障碍等等。我们希望更好地了解实现语音和语言的基本神经回路将为开发这些疾病的治疗方法铺平道路。"研究人员希望通过研究更复杂的语言过程来扩展他们的工作，从而研究人们如何选择他们想说的话，以及大脑如何将词语组合成句子，向他人传达个人的思想和情感等相关问题。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

研究人员制造出混合大脑：让一个物种的神经元帮助另一个物种

研究人员制造出混合大脑：让一个物种的神经元帮助另一个物种 大鼠（红色）和小鼠（绿色）神经元的混合体在混合大脑中形成了环形气味处理中心什么是混合大脑？听起来像是科幻电影情节中的东西或者是史蒂夫-马丁主演的80年代古怪喜剧但它实际上是两个物种细胞的结合，发育成一个完整的功能性大脑。因此，杂交脑通过创建"合成"神经回路来恢复受损或退化大脑的功能，对于推动再生神经科学的发展非常重要。在哥伦比亚大学欧文医学中心研究人员领导的一项新研究中，大鼠干细胞在发育初期就被引入到小鼠细胞中，从而产生了利用整合的大鼠细胞嗅觉的小鼠大脑。哥伦比亚大学瓦格罗斯内外科医学院遗传学和发育学教授、该研究的共同通讯作者克里斯汀-鲍德温（Kristin Baldwin）说："我们拥有漂亮的培养皿细胞模型和称为器官组织的三维培养物，它们都有各自的优点。但它们都无法让你确定细胞是否真正发挥了最高水平的功能。这项研究开始向我们展示，我们如何扩大大脑的灵活性，使其能够容纳来自人机界面或移植干细胞的其他类型的输入。"大鼠-小鼠嵌合体的制作示意图 Throesch 等人研究人员将大鼠胚胎干细胞植入小鼠胚泡（受精卵分裂而成的细胞团），然后将胚泡移植到代孕小鼠妈妈的子宫内发育。尽管在进化过程中存在差异（大鼠大脑发育较慢，体积较大），但研究人员观察到，大鼠细胞与小鼠神经元同步生长。在成熟的大鼠-小鼠或嵌合体中，大鼠细胞整合成整个小鼠大脑的神经回路，并与小鼠神经元形成活跃的连接。鲍德温说："几乎在整个小鼠大脑中都能看到大鼠细胞，这让我们相当惊讶。它告诉我们，插入的障碍很少，这表明许多种小鼠神经元都可以被类似的大鼠神经元取代。"接下来是测试大鼠细胞的功能能力，以及它们是否能取代受损的小鼠神经元。研究人员开发了小鼠模型，这些小鼠的嗅觉神经元（OSNs）在基因上有缺陷或被消融，即被破坏，而嗅觉神经元是检测和传递气味信息的神经元。他们发现，大鼠细胞拯救了小鼠大脑。鲍德温说："我们在每个小鼠笼子里都藏了一块饼干，结果非常惊讶地发现，它们能通过大鼠神经元找到饼干。"然而，与OSN被破坏的小鼠相比，OSN被基因沉默（即神经元存在，只是不工作）的小鼠找到饼干的成功率较低。这表明，增加替代神经元并非"即插即用"。如果想获得功能性替代神经元，可能需要清空闲置在那里的功能障碍神经元，这可能是某些神经退行性疾病的情况，也可能是自闭症和精神分裂症等神经发育障碍的情况。研究人员在研究中遇到的一个问题是，大鼠细胞随机分布在不同的小鼠体内，这阻碍了他们将研究扩展到其他神经系统。目前，他们正试图找到驱动插入细胞发育成特定细胞类型的方法，这可能会提供更高的精确度。扫清这一障碍将为创造具有灵长类神经元的混合大脑铺平道路，这将帮助我们更接近了解人类疾病。这项研究发表在《细胞》杂志上。 ... PC版： 手机版：

研究人员发现了导致冷感的蛋白质 长期未解之谜迎刃而解

研究人员发现了导致冷感的蛋白质 长期未解之谜迎刃而解 麻省大学生命科学研究所教授、新研究的资深作者、神经科学家肖恩-徐（Shawn Xu）说："20多年前，随着一种名为TRPV1的热感应蛋白的发现，这一领域开始发现这些温度传感器。各种研究都发现了能感知高温、暖气甚至低温的蛋白质，但我们一直无法确认是什么能感知华氏60度以下的温度"。在 2019 年的一项研究中，徐的实验室的研究人员在秀丽隐杆线虫体内发现了首个冷感受体蛋白，秀丽隐杆线虫是一种身长一毫米的蠕虫，徐的实验室将其作为了解感官反应的模型系统进行研究。由于编码秀丽隐杆线虫蛋白质的基因在包括小鼠和人类在内的许多物种中都是进化保守的，这一发现为验证哺乳动物中的冷传感器提供了一个起点：一种名为 GluK2（谷氨酸离子受体 kainate 型亚基 2 的缩写）的蛋白质。在这项最新研究中，来自生命科学研究所和麻省大学文学、科学和艺术学院的研究小组在缺少GluK2基因、因而无法产生任何GluK2蛋白的小鼠身上测试了他们的假设。通过一系列测试动物对温度和其他机械刺激的行为反应的实验，研究小组发现，小鼠对高温、暖气和低温的反应正常，但对有害的寒冷却没有反应。GluK2 主要存在于大脑中的神经元上，它接收化学信号，促进神经元之间的交流。但它也在外周神经系统（大脑和脊髓之外）的感觉神经元中表达。麻省大学分子、细胞和发育生物学副教授、该研究的共同第一作者段博说："我们现在知道，这种蛋白质在外周神经系统中发挥着完全不同的功能，它处理温度线索，而不是感知寒冷的化学信号。"虽然GluK2因其在大脑中的作用而闻名，但徐推测，这种温度感应作用可能是这种蛋白质的原始用途之一。"GluK2基因在整个进化树中都有亲缘关系，一直可以追溯到单细胞细菌。但它非常需要感知环境，也许既需要温度，也需要化学物质，"身兼麻省理工大学医学院分子和综合生理学教授的徐说。"因此，我认为温度感应可能是一种古老的功能，至少对其中一些谷氨酸受体来说是如此，随着生物进化出更复杂的神经系统，这种功能最终被采用。"除了填补温度感应难题的空白，徐认为这项新发现还可能对人类的健康和福祉产生影响。例如，接受化疗的癌症患者常常会对寒冷产生痛苦的反应。GluK2是哺乳动物体内的一种冷传感器，这一发现为更好地理解人类为何会对寒冷产生疼痛反应开辟了新的途径，甚至可能为治疗冷觉过度兴奋患者的疼痛提供了潜在的治疗靶点。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

MIT研究人员发现由光而不是热引起的蒸发现象

MIT研究人员发现由光而不是热引起的蒸发现象 换句话说，虽然温度的波动会产生蒸发现象，但仅凭光束的力量，水也一直在因此变成水蒸气。科学家们将这一过程称为"光分子效应"，源自爱因斯坦在 1905 年对光电效应的解释。普渡大学机械工程学教授阮秀林说："由光而不是热引起蒸发的发现为光与水的相互作用提供了新的颠覆性知识。"阮秀林没有参与麻省理工学院的研究，该研究发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。他补充说："这可以帮助我们对阳光如何与云、雾、海洋和其他自然水体相互作用以影响天气和气候有新的认识。具有重大的潜在实际应用价值，例如太阳能驱动的高性能海水淡化。这项研究属于罕见的真正革命性的发现，这些发现不会立即被社会广泛接受，而是需要时间，有时甚至是很长时间才能得到证实。"研究人员说，光引起的蒸发和热引起的蒸发之间的区别看似不大，但它不仅会对未来蒸发项目的执行方式产生重大影响，而且还能解释涉及云层的一个长期存在的差异。大约八十年来，对云层吸收阳光的方式进行的测量经常表明，云层吸收的阳光比物理学认为可能吸收的更多。对这些云层产生的光分子效应它导致了额外的、意想不到的蒸发可能有助于解决这个难题。研究小组利用实验室设备向水中发射激光，观察光的蒸发效应 布莱斯-维克马克由于光基蒸发的发现非常惊人，麻省理工学院的研究人员进行了 14 次不同的验证实验，所有实验都支持这一发现。在使用激光进行实验的过程中，他们发现，当被称为横向磁偏振的特定偏振光以 45° 角照射到水面时，蒸发效果最强。绿光的蒸发效果也最强，这让研究小组感到惊讶，因为绿光是使水看起来最透明的颜色，因为它与水的相互作用最小。"手稿中的观察结果指出了一种新的物理机制，它从根本上改变了我们对蒸发动力学的看法，"佐治亚理工学院机械工程副教授 Shannon Yee 说，他也没有参与这项工作。"谁能想到，我们还在学习像水蒸发这样的常识呢？"已经有一些公司与研究人员接触，认为光分子效应可以帮助他们的业务，其中包括一家公司希望将其用于纸厂的纸张干燥，另一家公司则希望利用这一过程蒸发糖浆。虽然这些应用可能是可行的，但研究人员认为，更多的工作将使他们的研究成果成倍受益。研究报告的合著者、麻省理工学院动力工程教授陈刚说："这种现象应该非常普遍，我们的实验实际上只是一个开始。证明和量化这种效应所需的实验非常耗时。从了解水本身，到扩展到其他材料、其他液体甚至固体，都存在很多变数。" ... PC版： 手机版：

研究人员新发现18起黑洞吞噬恒星事件

研究人员新发现18起黑洞吞噬恒星事件 美国麻省理工学院近日发布公报说，研究人员领衔的团队在距地球6亿光年范围内新发现了18起黑洞吞噬恒星的潮汐瓦解事件，使附近宇宙空间中已知的这类事件数量增加了一倍多。

微小裂缝，全球影响：MIT研究人员揭示微观冰层缺陷如何塑造冰川

微小裂缝，全球影响：MIT研究人员揭示微观冰层缺陷如何塑造冰川 一条冰川流入格陵兰岛西南海岸的峡湾。麻省理工学院的一项新研究介绍了一种基于微观冰缺陷绘制冰川流动图的模型，通过详细描述冰川对压力敏感性的区域变化，提供了冰川动力学的细微视角，并改进了海平面上升的预测。资料来源：Meghana Ranganathan冰川流动与海平面上升随着冰川和冰盖的融化和入海，全球水位正以前所未有的速度上升。科学家需要更好地了解冰川融化的速度以及影响冰川流动的因素，以便预测未来海平面上升的情况并做好准备。现在，麻省理工学院科学家的一项研究根据冰的微观变形，为冰川流动提供了新的图景。研究结果表明，冰川的流动在很大程度上取决于微观缺陷如何在冰层中移动。研究人员发现，他们可以根据冰川是否容易出现某种微观缺陷来估计冰川的流动情况。他们利用这种微观和宏观变形之间的关系，建立了冰川流动的新模型。利用这个新模型，他们绘制了南极冰原上各个地点的冰流图。穿过南极洲罗斯冰架附近山谷的冰流。图片来源：Meghana Ranganathan挑战冰流的传统观点他们发现，与传统观点相反，冰原并不是一个整体，相反，它在应对气候变暖压力时的流动地点和方式更加多样。研究人员在论文中写道，这项研究"极大地改变了海洋冰原可能变得不稳定并导致海平面快速上升的气候条件"。Meghana Ranganathan 博士说："这项研究真正展示了微观过程对宏观行为的影响。这些机制发生在水分子的尺度上，最终会影响南极西部冰盖的稳定性"。她是麻省理工学院地球、大气和行星科学系（EAPS）的研究生，现在是佐治亚理工学院的博士后。共同作者、EAPS 副教授 Brent Minchew 补充说："广义上讲，冰川正在加速，围绕这一点有很多变数。这是第一项从实验室到冰原的研究，开始评估自然环境中冰的稳定性。这最终将有助于我们了解灾难性海平面上升的概率。"Ranganathan 和 Minchew 的研究最近发表在《美国国家科学院院刊》上。冰川运动与海平面影响冰川流动是指冰从冰川的顶峰或冰原的中心向下移动到边缘，然后冰在边缘断裂并融化到海洋中的过程这个过程通常很缓慢，但随着时间的推移，会导致世界平均海平面上升。近年来，在全球变暖以及冰川和冰原加速融化的推动下，海洋以前所未有的速度上升。众所周知，极地冰川的消失是导致海平面上升的主要原因，但这也是预测时最大的不确定因素。"部分原因是规模问题，"Ranganathan 解释说。"很多导致冰流动的基本机制都发生在我们无法看到的非常小的尺度上。我们想准确地确定这些支配冰流的微物理过程是什么，而海平面变化模型中还没有体现出这些微物理过程。"明尼苏达大学的地质学家在 2000 年代初进行了实验，研究了小块冰在受到物理压力和压缩时如何变形。他们的研究揭示了冰流动的两种微观机制：一种是"位错蠕变"，即分子大小的裂缝在冰中移动；另一种是"晶界滑动"，即单个冰晶相互滑动，导致它们之间的边界在冰中移动。地质学家发现，冰对应力的敏感性，或者说冰流动的可能性，取决于两种机制中哪一种占主导地位。具体来说，当微观缺陷是通过位错蠕变而不是晶界滑动产生时，冰对应力更敏感。兰加纳坦和明切意识到，这些微观层面的发现可以重新定义冰川尺度更大的冰流方式。他们解释说："目前的海平面上升模型假定冰对压力的敏感性只有一个值，并且在整个冰原上保持这个值不变。"这些实验表明，实际上，由于这些机制中的哪一种在起作用，冰的敏感性存在着相当大的变异性"。预测冰川流动的新模型在新的研究中，麻省理工学院的研究小组从之前的实验中汲取灵感，建立了一个模型来估算冰区对应力的敏感度，这直接关系到冰流动的可能性。该模型吸收了环境温度、冰晶平均大小和该区域冰的估计质量等信息，并计算出冰通过位错蠕变和晶界滑动发生变形的程度。根据这两种机制中哪一种占主导地位，模型就能估算出该区域对应力的敏感性。科学家们将从南极冰原上不同地点观测到的实际数据输入到模型中，其他科学家之前在这些地点记录了当地的冰层高度、冰晶大小和环境温度等数据。根据模型的估计，研究小组绘制了南极冰原上冰对压力的敏感性地图。当他们将该地图与卫星和实地对冰原的长期测量结果进行比较时，发现两者非常吻合，这表明该模型可用于准确预测冰川和冰原在未来的流动情况。"随着气候变化使冰川开始变薄，这可能会影响冰对压力的敏感性，"Ranganathan 说。"我们预计南极洲的不稳定性可能会非常不同，我们现在可以利用这个模型捕捉这些差异。"编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：