《自然》：比芝麻还小的脑区有多宏大？母亲在冬季怀孕的人BMI或较低；全球塑料使用分析 | 一周论文新鲜读

4.14

本周值得读

来自《自然》旗下期刊的新近发表，我们为您精选呈现。

1. 咸海消失后持续广泛的地表移动

2. 母亲在较冷季节受孕的人褐色脂肪组织或更多

3. 小鼠大脑图谱揭示结构与功能的关联

4. 评估月球背面的水含量

5. 能实现光速处理的芯片

6. 全球塑料中仅不到10%产自回收材料

地球科学 | 咸海消失后持续广泛的地表移动

Weak asthenosphere beneath the Eurasian interior inferred from Aral Sea desiccation

Nature Geoscience

根据《自然-地球科学》发表的一项研究，灌溉引发的咸海干涸，导致这片曾经的湖泊下方地幔深处的岩石隆，并像粘稠液体一样和流动，速度为每年几毫米。这些发现凸显出人类活动能在数十年间对地壳下的过程造成影响。 

到上世纪50年代末之前，中亚的咸海曾经是世界上面积第四大的咸水湖，后因注入咸海的河流被过度利用于灌溉，1960-2018年间，该湖泊的表面积估计缩小了90%，体积估计减少了93%，留下了一片富含盐的沙漠。在缩小前，这片湖水的重量足以导致下方地壳下沉，因此科学家预计湖泊干涸后会带来一些反弹性隆起。 

中国北京大学的王腾和同事分析了2016-2020年间咸海盆地地面变形的卫星雷达测量数据。他们发现，过去的湖床仍在以平均每年约7毫米的平均速度上升，而且在湖泊原中心之外多达500公里的宽广区域都能观察到隆起。作者利用模拟表明，这种观察到的隆起特征的最佳解释是，在约150公里深处的上地幔，岩石就如同极为粘稠的流体。这些岩石此前因湖水的重量而移位。作者估计，这种岩石现在正以每年几厘米的速度流回湖泊形成之前的位置，这个速度与板块运动速度相当，且这种运动将持续数十年。 

作者总结说，这些发现证明了人类活动如何影响深至上地幔的地球，进而导致地表变化。在同时发表的新闻与观点文章中，Simon Lamb评论说：“尽管咸海的干涸是一场环境灾难……一个正面的作用是，它能被作为工具探测地球深层内部，为板块内和板块下方的的岩石性质带来新的见解。”

代谢 | 母亲在较冷季节受孕的人褐色脂肪组织或更多

Pre-fertilization-origin preservation of brown fat-mediated energy expenditure in humans

Nature Metabolism

《自然-代谢》发表的一项研究认为，与母亲在较暖季节受孕的人相比，母亲在较冷季节受孕的人似乎展现出更高的褐色脂肪组织活性、较高的能量消耗、较低的体重指数（BMI），以及内脏器官周围的脂肪堆积更少。这些发现基于对逾500名参与者的分析，显示出气候条件对人体生理的潜在作用。 

尽管饮食习惯和锻炼是减脂的关键指标，但暴露于寒冷和温暖环境也有影响。相比天热的时候，在较冷温度下的身体会通过棕色脂肪组织活动产生更多热量（冷诱导产热），以白色脂肪组织形式储存的脂肪更少。但造成棕色脂肪组织活性个体差异的底层因素尚未得到很好理解，尤其是在人体中。 

日本东北大学医学系研究科的米代武司和同事分析了683名日本健康男女性个体（年龄在3-78岁之间）的棕色脂肪组织密度、活性和产热情况，这些人的父母在受孕和生产期间暴露于寒冷（研究中定义为10月17日至4月15日间）还是温暖（4月16日至10月16日间）气候下。研究发现受孕于寒冷季节的人表现出较高的棕色脂肪组织活性，与成年后能量消耗增加、产热增加、较低的内脏脂肪积聚和较低的BMI指数有相关性。更明确的是，米代武司和同事表明了人类后代棕色脂肪活性的决定因素是受孕前较大的每日温度变化和较低的环境温度。 

作者指出，还需要更多研究来确定其背后的机制、对不同人群的适用性以及其他饮食、环境变化的影响，包括在婴儿期发生的变化。 

神经科学 | 小鼠大脑图谱揭示结构与功能的关联

The MICrONS Project

Nature Portfolio

MICrONS（Machine Intelligence from Cortical Networks皮层网络的机器智能）联盟本周在《自然》和《自然-方法》上发表了一组论文，描绘了小鼠大脑细胞结构和连接的详细图谱，揭示了它们与小鼠大脑活动的关系。从小鼠大脑中仅1立方毫米（约相当于一粒奇亚籽大小）的空间里，作者利用新开发的人工智能工具，追踪了约84000个神经元、5亿个突触和约5.4公里长的神经元连接。虽然仅代表大脑的很小一部分，这一高分辨率的连接图谱有助于描绘大脑的组织方式以及不同类型的细胞如何协同工作。 

大脑是由包括神经元在内的细胞构成的细胞网络，神经元会受到刺激而激活，并通过突触连接。认知功能的基础涉及神经元激活和细胞连接之间的相互作用。为了深入了解哺乳动物的大脑回路，MICrONS联盟从一只小鼠的视觉皮层中生成了一张大规模的神经形态和连接的高分辨率图谱，并探索了它们与功能和遗传特征的关系。 

研究者首先记录了一只在跑步机上跑步和看视觉图像的小鼠脑内约75000个神经元的活动。小鼠经过改造，使其神经元活跃时会发出荧光蛋白。随后作者将这些数据与仅一立方毫米的小鼠视觉皮层的重建连接图进行匹配。对该样本的电子显微镜观察识别出了超过20万个细胞、约84000个神经元和5.24亿突触连接。这些论文描述了识别不同细胞、分析连接以及将布线图与神经元活动联系起来的工具。这些工作共同提供了对大脑特定部分的描述，为这些部分如何协同工作带来了新见解。 

小鼠视觉皮层与其他哺乳动物（包括人类）有不少相似之处，因而是一个有趣的研究对象，但这只是大脑的一个区域，而且还是很小的一部分。作者指出，研究完整回路需要更广泛的图谱，而这需要连接组学领域工具和方法的进步。“尽管存在这些局限性，这项工作仍标志着重大的进步，为学界未来的神经科学发现提供了宝贵的资源。”在一篇同时发表的新闻与观点文章中，Mariela Petkova 和 Gregor Schuhknecht这样写道。他们称MICrONS项目是“迄今最全面的将哺乳动物脑结构与活跃动物神经活动联系起来的数据集。” 

行星科学 | 评估月球背面的水含量

Water abundance in the lunar farside mantle

Nature

《自然》发表的一项研究显示，月球背面（远侧）的地幔可能比正面（近侧）的地幔更干燥。这一发现来自对嫦娥六号任务采集样品的分析结果。 

了解月幔的水含量能促进对月球形成和演化的理解。过去20年里，对月幔含水量的认知获得了极大提升，使得研究人员从传统上月球很“干涸”的观点转向了月球较“湿润”的理论。2024年6月25日，嫦娥六号任务从月球背面的南极-艾特肯撞击盆地采回样品，为测定该区域月幔水含量提供了首个机会。 

中国科学院的胡森和同事分析了来自南极-艾特肯撞击盆地的样品，报告了月幔部分熔融形成的玄武岩中矿物磷灰石和熔融包裹体的水含量及氢同位素组成。他们估计月幔的水含量为每克1-1.5微克——位于月球正面测量值（每克1-200微克）的干燥区间。作者认为，月幔的水分布差异或是一种半球差异，与月表特征的不同相呼应。 

作者总结道，他们的发现对于估算月球上总的水含量非常重要，也对针对月球形成和之后月球演化的大碰撞假说提出了限制条件。 

计算 | 能实现光速处理的芯片

An integrated large-scale photonic accelerator with ultralow latency

Nature

结合了光和电的计算芯片被证明比传统电子芯片的计算性能更好，能耗更低。《自然》本周发表的两项研究描述了这种光子计算芯片，这种芯片或能满足因人工智能技术发展而推升的计算需求。 

人工智能和深度学习模型日益增长的复杂性将传统电子计算推向极限，而且能源需求也不断增加。光子计算使用光子而非电子，是应对这些挑战的一个潜在办法。乘法和加法——人工智能的核心计算操作——在使用光子电路时更快、更高效。这类优势在将光子芯片集成到传统电子器件的硬件中一直很难证明，但两篇新论文探索了与硅电子集成的光子计算芯片的性能。 

Bo Peng和同事演示了一个名为PACE的光子加速器，能完成极低时延的计算，这是一个对实时处理很重要的计算速度指标。这个大型加速器由逾16000个光子元件以64 x 64矩阵组成，能实现高速计算（最高达1GHz），而且相比小型电路或单个光子元件其最小时延可降低500倍。PACE能解决“伊辛问题”这类很难的计算问题，证明了该系统在现实世界应用的可行性。 

Nicholas Harris和同事在另一篇独立论文中描述了一个能以高准确度高效执行AI模型的 光子处理器。该处理器由四个128 x 128矩阵组成，能执行自然语言处理模型BERT和一个名为ResNet的神经网络（用于图像处理），且准确度与传统电子处理器不相上下。作者演示了他们的光子处理器有一系列应用，包括生成莎士比亚式文本，准确给电影评论分类，以及玩雅达利（Atari）的电脑游戏，如《吃豆人》（Pac-Man）。 

两个团队都表示他们的系统可扩展，但仍需进一步优化。“光子计算的研发已有数十载，而这些演示可能意味着我们终于能利用光能构建更强大、更高效的计算系统了。” Anthony Rizzo在一篇同时发表的“新闻与观点”文章中写道。

环境 | 全球塑料中仅不到10%产自回收材料

Complexities of the global plastics supply chain revealed in a trade-linked material flow analysis

Nature

根据《通讯-地球与环境》发表的一项研究，2022年全球仅9.5%的塑料材料生产自回收材料。这一发现来自对全球塑料行业的一项全面分析，研究还揭示出焚烧处理的塑料数量大幅增加，以及全球塑料使用的巨大地区差异。 

塑料产量从1950年的每年200万吨增加到2022年的每年4亿吨，预计到2050年将达到8亿吨。因此，塑料污染是一个急迫且日渐增长的全球问题，对环境、经济和公共卫生构成重大挑战。但当前对全球塑料产业的全面分析很少。 

中国清华大学的谭全银和同事利用来自国家统计、行业报告和国际数据库的数据，对2022 年的全球塑料行业进行分析，提供了全球和地区塑料生产、使用和弃置的详细综述。他们分析的数据凸显出全球塑料供应链的主要趋势。在当年产生的4亿吨塑料中，只有不到3800万吨（9.5%）产自回收塑料。剩下的3.62亿吨中，98%产自化石燃料，主要是煤和石油。 

全年约有2.68亿吨塑料被弃置，其中仅27.9%被送去分类和潜在地回收，而36.2%被直接填埋，22.2%被直接焚烧。此外，在分类的塑料中仅一半得到了真正回收，41%的分类后塑料被焚烧，8.4%被填埋。不过，和1950到2015年间全球塑料垃圾填埋量预计占79%相比，2022年全球塑料废物被填埋的百分比（40%）已大为下降。美国的人均塑料消费量最高，平均每人每年消费216公斤塑料；而中国消费的总量最高——每年消费8000万吨。 

作者表示，这项研究为未来制定政策法规提供了重要的数据。

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