来听听鲸的歌声、古人类中的三体综合征、纳米尺度的3D新光盘、癌症命名法亟需改变 | 一周论文新鲜读

2.26

本周值得读

来自《自然》旗下期刊的最新发表，我们为您精选呈现。

1. 新的光盘存储器存储能力提升

2. 须鲸在水中如何歌唱

3. 脑刺激图谱或有助于改进神经功能疗法

4. 古人类中发现遗传病

5. 癌症命名法亟需改变

6. 在垂体生长激素接受者中发现阿尔茨海默症传播证据

7. 现代猞猁多样性来自几千年前的种间繁殖

工程学 | 新的光盘存储器存储能力提升

A 3D nanoscale optical disk memory with petabit capacity

Nature

《自然》发表的一篇论文描述了一种在光盘里存储更多数据的新方法，该方法使用三维而非二维方式存储数据。

随着人类数据需求的增加，对数据存储方式的要求也在提高。光学数据存储（ODS）是一种基于光的存储方法，常用于DVD，它成本低廉、十分耐用。但ODS通常将数据以单层存储，能够存储的数据量有限。

上海理工大学的文静、阮昊、顾敏和同事开发了一种新方法，使用三维的ODS结构，能在数百层中存储数据，而非仅有一层。这种方法利用了一种叫做AIE-DDPR的新存储介质，通过在光阻薄膜中掺杂聚集诱导发光染料制成。这使薄膜能在纳米尺度上读取和写入。这种薄膜由吸收光子的分子（光引发剂）和高度光敏的分子组成，以获取写入数据。

作者用54纳米记录点尺寸的激光存储数据，盘介质数据层数达到100层，每层间距1微米，这极大增加了ODS薄膜的面密度。研究人员还发现，存储在薄膜较深层的信息，其质量与较浅层靠近表面的数据相当。

作者指出，生产AIE-DDPR光盘的工作流程和现有生产DVD的方法兼容，表明生产这些薄膜或具有规模化的可能性和经济上的可行性。他们亦指出了一些该技术的局限性，包括该工艺的写入速度和能耗。

海洋生物学 | 须鲸在水中如何歌唱

Evolutionary novelties underlie sound production in baleen whales

Nature

根据《自然》本周发表的一篇论文，须鲸会用一种特化的喉部发声。这项研究强调了它们歌声的生理限制，表明这类动物可能会受到船只噪音的特殊影响。

鲸有着以独特发声为媒介的复杂的社交和繁殖行为。鲸的祖先从陆地回到海洋时，需要重要的适应性变化来使它们能够在水下用声音交流。齿鲸演化出了一种鼻腔发声器官，而须鲸则被认为是用喉部发声，但还不清楚它们究竟如何发出声音。

丹麦南丹麦大学的Coen Elemans和同事调查了三只搁浅须鲸（塞鲸、小须鲸和座头鲸）的喉部，使用扫描和建模技术重建了它们的发声原理。在三头鲸身上发现声音都是通过须鲸喉部特定发声结构的空气振动产生的，而齿鲸没有这种结构。这些特化结构让它们能够发声和循环空气的同时避免吸入水。

发声的计算机模型表明，它们能在不透明的水体中进行长距离的低频交流，最大深度可达100米，最大频率300Hz。作者推测，这种喉结构可能无法产生更高频率的声音，因而无法在更远距离（数百公里）上交流。重要的是，这些限制让它们的歌声处于船只通常产生的噪音范围（30-300Hz）内，表明须鲸的交流将会严重受到人类活动的影响，因为它们发声的生理机制让它们无法超过这个范围。

神经科学 | 脑刺激图谱或有助于改进神经功能疗法

Mapping dysfunctional circuits in the frontal cortex using deep brain stimulation

Nature Neuroscience

《自然-神经科学》发表的一项研究显示，使用脑深部电刺激（DBS）绘制功能失调的脑环路或有助于改进特定神经疾病的疗法。研究结果有助于认识导致这类疾病的脑环路，或推动发现进一步治疗的潜在靶点。

DBS需要通过手术在脑内植入电极，并让功能失常的脑网络减弱，脑网络功能失常表现为各种神经疾病。对丘脑底核（丘脑下方的一个小型结构）的DBS常用于治疗帕金森病，目前也被研究用来治疗肌张力障碍、强迫症（OCD）和图雷特综合征。不过，刺激哪些脑环路才能使每种疾病的症状得到最大改善一直不清楚。鉴别出这些环路或能使治疗策略更有针对性，效果更好。

德国柏林夏里特医学院的Barbara Hollunder、Ningfei Li、Andreas Horn和同事收集了261名帕金森病、肌张力障碍、OCD或图雷特综合征患者的数据，这些患者此前接受过在丘脑底核植入DBS电极的手术。这些数据能使作者了解哪些脑环路受到DBS的调控，以及这与治疗反应之间的关系。他们发现，丘脑底核与感觉运动皮质的互连和治疗肌张力障碍的相关性最大，与主要运动皮层的互连与治疗Tourette综合征的相关性最大，与辅助运动皮质的互连与治疗帕金森病的相关性最大，与腹内侧前额叶和前扣带回皮质的互连和治疗OCD的相关性最大。此外，他们还能基于他们的发现潜在指导一名帕金森患者和两名OCD患者的治疗，这几位患者都在患者特异性DBS治疗后报告了症状的减退。

作者总结道，他们的发现有助于更好地理解这些疾病背后的脑环路变化，并有望改进治疗这些疾病的策略。但他们也指出，仍需开展进一步研究并用患者特异性数据进行验证。

遗传学 | 古人类中发现遗传病

Cases of trisomy 21 and trisomy 18 among historic and prehistoric individuals discovered from ancient DNA

Nature Communications

《自然-通讯》报告了从距今约5500年的史前遗骸中发现的古代染色体病病例，其中包括六例唐氏综合征和一例爱德华兹综合征。作者认为，这些发现可能是首次在历史上或史前的遗骸中发现爱德华兹综合征。

染色体三体症患者的细胞中会携带某条染色体的三个拷贝，而非正常的两个。第21号染色体或第18号染色体三体分别会导致唐氏综合征和爱德华兹综合征。目前古代个体中仅有几例唐氏综合征病例有记载可循，这很大程度上是因为在没有现代技术分析古DNA样本的情况下，很难鉴别遗传疾病。某些古代社会如何受遗传疾病影响，又如何应对遗传疾病，至今仍不为人知。

德国马克斯·普朗克进化人类学研究所的Adam Rohrlach和同事筛查了来自古人类遗骸的近10000个基因组以寻找染色体三体异常，从中鉴别出六例唐氏综合征和一例爱德华兹综合征。这些个体大部分在出生前或出生后不久便夭折了，他们分别来自新石器时代的爱尔兰（公元前约3500年）、青铜时代的保加利亚（公元前约2700年）和希腊（公元前约1300年）、铁器时代的西班牙（公元前约600年），或中世纪后的芬兰（约公元1720年）。有些病例特别古老，有两例来自青铜时代（公元前约2700年），一例来自石器时代（公元前约3500年）。作者指出，似乎所有个体死后都经历了不同的仪式，表明他们作为社区成员受到了认可，在少数情况下甚至有个体获得了优越的葬礼或精心制作的墓葬用品。例如，铁器时代早期埋葬于西班牙纳瓦拉的个体，随葬物品有铜环和一个地中海贝壳，并且被三只绵羊和/或山羊的遗骸围绕。

这些研究发现提供了新的视角，让我们了解过去的社区是如何认识这些病症的。

评论 | 癌症命名法亟需改变

Forget lung, breast or prostate cancer: why tumour naming needs to change

Nature Comment 

法国古斯塔夫·鲁西（Gustave Roussy）研究所的Fabrice Andre和同事在《自然》的一篇“评论”（Comment）文章中指出，基于器官的癌症分类——如乳腺癌、肺癌或胰腺癌——亟需转变为基于分子的癌症分类。文中写道，“根据肿瘤分子特征进行癌症分类将使数百万人更快获得有效治疗。”

精准肿瘤学对于根据产生肿瘤的器官和肿瘤的发展对癌症进行分类的分歧越来越大，精准肿瘤学提倡用肿瘤和免疫细胞的分子谱指导治疗。

为说明该问题，作者以药物纳武利尤单抗（nivolumab）为例。这种药靶向PD-L1蛋白的受体PD1，PD-L1蛋白能帮助癌细胞逃逸免疫系统的攻击。在临床试验中，决定该药物有效性的关键因素是肿瘤细胞是否高水平表达PD-L1。但“在十年左右的时间里”，Andre和同事写道，“数以百万计的PD-L1高表达肿瘤患者未能获得本来能救他们的相关药物”。这是因为他们按照传统定义的癌症类型还未开展过临床试验。过去十年里接受临床试验测试的大部分药物都有类似的情况。

改变癌症分类或能促进医疗教育和患者理解。作者认为，如果告诉患者导致他们癌症的生物学机制，他们就能更好地理解治疗依据。

Andre和共同作者总结道，除了帮助患者，改变癌症分类方式是“迈向精准肿瘤学并进一步了解癌症生物学机制的第一步”。

神经退行 | 在垂体生长激素接受者中发现阿尔茨海默症传播证据

Iatrogenic Alzheimer’s disease in recipients of cadaveric pituitary-derived growth hormone

Nature Medicine

《自然-医学》发表的一项研究发现，五名儿童时期曾经接受尸体来源人类脑垂体生长激素治疗（此疗法现已被禁止）的人，出现了早发的进行性认知障碍，符合阿尔茨海默症的诊断标准。虽然这一结果十分罕见，这些发现表明，阿尔茨海默症可能有医源性的形式。但没有证据表明它在其他条件下也会传播，例如日常照护或日常生活。

在1959-1985年间，英国至少有1848名病患接受了从尸体脑垂体腺中提取的人类生长激素（c-hGH）治疗。在一些人得到了受朊污染的c-hGH、后死于克雅氏病（CJD）以后，这一产品在全球召回。在其中一些人的大脑中，尸检发现了β淀粉样蛋白病理异常，这是阿尔茨海默症的标志之一。但还不清楚这些人是否在死前出现了阿尔茨海默症的症状，因为有可能被他们的CJD症状所掩盖。过去的研究表明一些存档批次的c-hGH仍含有可检测量的β淀粉样蛋白，并且会将这种病状传递给小鼠。

在当前研究中，英国伦敦大学学院MRC朊病毒部和伦敦大学学院朊病毒病研究所的John Collinge和同事描述了8名曾经在儿童时期接受c-hGH但没有出现CJD的英国人。其中五人出现了与早发性痴呆（症状出现于38-55岁）一致的症状，符合阿尔茨海默症的诊断标准，即在两个或以上认知领域出现进展性障碍，严重程度足以影响日常活动。其余三人中，一人出现了符合中度认知障碍的诊断标准的症状（开始于42岁），另一人仅有主观认知症状，第三人无症状。

生物标志物分析在无症状时不能用于诊断这种疾病，但支持了两名确诊患者的阿尔茨海默症诊断，并指明另一人有阿尔茨海默症的迹象。作者还对两名研究期间去世的人做了尸检，包括大量脑组织取样，其中一名患者也显示出阿尔茨海默症的病理。此外，在五名有样本的患者中，对导致早发性阿尔茨海默症的基因进行遗传检测，结果显示阴性。作者认为，他们的发现表明阿尔茨海默症有潜在传播性的，并提出，类似于CJD，阿尔茨海默症或许也有散发、遗传和罕见后天获得的形式。

作者表明，医源性获得阿尔茨海默症可能很罕见，因为c-hGH已经不再使用，而这一研究中的患者是在多年反复暴露之后出现症状的。但他们指出，认识到β淀粉样蛋白的传播，凸显出了审核措施的必要性，以预防经过通过其他医疗和手术的传播。他们总结说，这些发现可能对驱动其他类型阿尔茨海默症的过程有所启示，也可能为治疗策略带来见解。

遗传学 | 现代猞猁多样性来自几千年前的种间繁殖

Recent increase in species-wide diversity after interspecies introgression in the highly endangered Iberian lynx

Nature Ecology & Evolution

《自然-生态与演化》发表的一篇论文显示，古代伊比利亚猞猁的遗传多样性比现代猞猁要低。研究结果表明，欧亚和伊比利亚猞猁的基因混合促进了现代伊比利亚猞猁的遗传多样性，虽然该种群规模近来有所下降。

约100万年前，伊比利亚猞猁（Lynx pardinus）从其姐妹物种欧亚猞猁（Lynx lynx）分化而来，但它们的基因组显示，两个物种间出现过DNA转移（该过程名为基因渗入）。20世纪的一次严重种群瓶颈事件让伊比利亚猞猁减少到只剩西班牙南部的两个隔离的小规模种群，遗传多样性为所有哺乳动物记录史上最低的一次。

西班牙高等科研理事会（CSIC）的María Lucena-Perez和同事对来自化石骨骼样本（距今约2000至4000年）的三个古代伊比利亚猞猁的基因组进行了测序，并将这些基因组与来自当前两个地点的30个伊比利亚猞猁、来自伊比利亚半岛北部的一个古代欧亚猞猁（距今约2500年）和来自6个种群的12个现代欧亚猞猁的基因组数据进行了对比。作者在伊比利亚猞猁基因组中发现了与欧亚猞猁持续或反复发生基因混合的过程。他们认为，这个过程或解释了现代伊比利亚猞猁种群数量虽然近来出现了减少，但遗传多样性比古代种群更高的原因。

他们指出，研究结果或对“遗传拯救”这类保育策略具有启示意义，这类策略通过引入来自不同种群的个体，增加隔离种群的遗传多样性。虽然一般不建议这么做，但作者认为，对于包括伊比利亚和欧亚猞猁在内的在野外经历过基因混合的物种，可以谨慎地考虑这种策略的可行性。

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