大脑是如何做到一脚踩油门，一脚踩刹车的？

01

大脑供血的秘密：两群神经元的“油门”与“刹车”

传统观点认为，大脑哪块区域活跃，血液就流向哪里，就像根据用电量分配电力一样。然而，科学家通过功能磁共振成像等技术观察到，大脑活动增强时，局部血流量会增加。这种关联被称为神经血管耦合。

问题的根源在于，以往的研究大多测量的是神经元群体的平均活动水平。这好比只听取整个交响乐团的平均音量，却忽略了其中的关键细节，比如小提琴声部在加强，而大提琴声部在减弱。

为了突破这一局限，研究团队同时运用了功能超声成像和超微电极阵列技术，在全脑范围内同步监测血容量变化和单个神经元的电活动。他们选择了一个既简单又明确的标志性行为作为观察窗口——小鼠的胡须抖动。

研究发现，当小鼠开始抖动胡须时，大脑血容量会先快速上升，随后下降，呈现一种双相波动模式。更重要的是，神经元对此的反应并非铁板一块。根据对唤醒状态的反应，它们清晰地分成了两大种类：当动物更清醒、更活跃时，“油门”神经元的放电频率会显著增加。而另一类则是在唤醒状态下放电活动反而会减弱的“刹车”神经元。

这两类神经元遍布整个大脑，在每个脑区都以不同的比例共存。研究进一步发现，这两类神经元不仅反应相反，它们指挥血管的方式也截然不同。“油门”神经元的指令传递更快、更短暂，信号发出后约1.2秒，血流量达到峰值。“刹车”神经元的指令则更慢、更持久，峰值出现在约2.1秒后，且总体对血流的影响强度更大。

正是这种差异，完美解释了血容量的双相波动。当唤醒开始时，“油门”神经元迅速激活，命令血管扩张，血流量快速上升；与此同时，“刹车”神经元被抑制，但它们那延迟且更强的“收缩血管”指令正在酝酿，并在稍后抵达，从而导致了血流的下降。两股指令一快一慢、一正一负，共同编织了血流量变化的完整曲线。

不同脑区血流响应不同，实质是因为该区域内“油门”神经元和“刹车”神经元的比例不同。“油门”神经元多的区域，血流增加更明显。

这项研究从根本上更新了我们对神经血管耦合的理解。大脑并非简单地按需分配血液，而是通过两套对立统一的控制系统进行精细调节。这解释了大脑如何在能量供应与功能状态间取得动态平衡。

小鼠大脑中不同的位置血流的变化率不同 （图片来源：参考文献）

课代表总结：大脑的本质原来真的是二极管（狗头）

参考文献：

Landemard, A., Krumin, M., Harris, K.D. et al. Brainwide blood volume reflects opposing neural populations. Nature (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10350-9

02

生物不够，物理来凑：为什么大肠杆菌能缠着你不放？

为什么一些细菌能形成顽固的、难以清除的生物膜，附着在医疗器械或水管内壁？这背后，是成千上万个微生物个体精妙的集体行动。要破解它们，首先得弄明白它们是如何组织起来并且一起行动的。

真实的细菌世界过于复杂。每个细菌细胞不仅有固定的外形，它们还能感知环境、响应化学信号并根据外界条件实时调整行为。这种生物学的“智能”，反而让研究者难以剥离出最基础的物理原理。追踪密集菌落中单个细胞的运动，更是技术上的巨大挑战。

在4月9日《科学》杂志的封面文章中，科学家报告了一种新思路：如果无法让细菌变“笨”，那就创造“更笨”的替代品。他们制造了一种合成胶体棒，这些微米级的小棒能在光照驱动下自主运动。它们不会寻找食物，也不响应信号，只遵循纯粹的物理规律。正是这种简化，让科学家得以专注于细菌形状对其组织性和运动的影响。

研究人员系统性地改变了这些合成棒的长度半径比和浓度，观察它们的集体行为如何变化。结果呈现出清晰的规律：

短粗型粒子倾向于聚集和相分离，细长型粒子则喜欢整齐地群集和列队行进，中等身材的粒子展现了最丰富的动态：它们会进入一种主动湍流状态。这是一种持续不断、充满动态的集体运动，混乱中又蕴含着某种秩序，如同繁忙十字路口涌动的人潮。

这个发现指向了一个深刻的进化逻辑。能运动的细菌，其形状可能恰好进化到了一个基于身材的“甜蜜点”。在这个区间内，集体的流动性和环境适应能力同时达到了最优状态。我们熟悉的大肠杆菌，其身材就稳稳地落在这个“甜蜜点”区域。

而另一种长得更长的枯草芽孢杆菌，则没有表现出这种湍流状的集体行为，在穿越像生物膜这样致密的环境时，效率可能就不如大肠杆菌。

这项研究的意义远不止于解释细菌。它为我们理解所有“活性物质”（能够消耗能量自主运动的物质）的集体动力学，建立了一个普适性的框架。形状，这个看似简单的几何属性，竟然是操控微观世界集体行为的一把关键钥匙。

课代表总结：同等尺度放大之后就可以研究人这种“棒状物”的聚集模式了。

参考文献：

Yogesh Shelke et al. ,Shape anisotropy governs organization of active rods: Swarming, turbulence, flocking, and jamming.Science392,202-206(2026).DOI:10.1126/science.ady7618

03

对大脑中的手机辐射进行直观成像

关于手机辐射影响健康的问题，上到营销号，下到家庭群，可能每个人都或多或少地刷到过。虽然手机辐射与医院里的X光辐射都叫辐射，但能量相差巨大。X光是电离辐射，而手机的微波辐射是非电离辐射，不会造成电离伤害。

这就好比40度的水和100度的水，虽然都是热水，但是喝40度的水不会烫伤。

等等……真的不会烫伤吗？那低温慢煮是怎么煮熟的呢？

也就是说，长期低剂量的微波辐射，会不会也造成对人体组织的损伤呢？以往，科学界研究这个问题大多依赖于对组织加热效应的测量和计算机模拟。然而，一种崭新的成像技术刚刚诞生，它像一双特殊的“眼睛”，首次让我们能够直接“看见”手机微波在模拟人体组织中的行踪，甚至在热量显著产生之前就绘制出它们的分布图景。

这项突破性技术名为超极化低场磁共振成像。它的核心在于一种巧妙的信号转换思路：研究人员在模拟人体组织的胶体中，加入了一种微量的稳定自由基分子，你可以将它想象成散布在组织中的微型微波感应器。

当手机发出的微波照射到这些自由基时，会被其特定的结构选择性吸收。这一吸收过程，如同一个精妙的接力，将微波携带的能量与特性，转移给了周围无数个水分子中的质子，改变它们的磁共振状态。

这意味着，我们无需将组织加热到可被探测的程度，就能以图像的形式直观展示微波在复杂介质中的传播路径、吸收强弱以及遇到障碍时的散射情况。

这项技术的新颖与重要之处，首先在于其无与伦比的直观性。在此之前，测量微波在组织内的分布通常需要侵入式探头，这本身就会干扰微波场，且只能获得单点数据。而新技术实现了非侵入式的三维成像，能全景式展现微波在复杂结构中的渗透情况。

其次，它极大地提升了探测灵敏度，能够在远低于现行安全标准所关注的加热阈值下工作，为研究微波可能产生的非热效应提供了前所未有的工具。

这项将磁共振与微波感应自由基相结合的技术，为我们打开了一扇观察日常电磁辐射与人体相互作用的新窗口。它不仅让不可见的微波场变得可见，更以定量的方式深化了我们的认知。

接下来要做的，就是用这套系统来分析手机信号在大脑中的分布模式，从而一锤定音地回答开头我们提出的那个问题：手机辐射到底会不会伤害大脑。

科学家能看到大脑里的手机辐射（图片来源：参考文献）

课代表总结：不过现在的手机已经基本不会放在耳朵边了……

参考文献：

04

石墨烯又双叒叕掀翻一条物理铁律

在传统金属世界里，电流与热流宛如一对形影不离的孪生兄弟，遵循着一条名为维德曼-弗朗茨的物理定律。这条定律简单来说就是：材料的导电能力越强，其导热能力也越强，两者成正比。一个多世纪以来，它一直是理解金属行为的基石。

然而，当科学家将目光投向石墨烯这种由单层碳原子组成的梦幻材料时，这对孪生兄弟竟然分道扬镳了。研究人员发现，在极低温度下，石墨烯的电导率升高时，热导率却反常地降低，两者变化方向完全相反！

这种奇异现象发生的舞台，是石墨烯能量图谱上一个被称为狄拉克点的特殊位置。在这里，石墨烯处于金属与绝缘体之间的临界状态，如同走在一根纤细的钢丝上。

正是在这个精妙的平衡点上，电子的个体主义消失了。它们不再单独行动，而是紧密耦合，集体流动，形成了一种被称为狄拉克流体的新奇物态。这种流体的粘滞度极低，流动起来比水还要丝滑，是地球上最接近完美流体的存在之一。

研究人员惊叹，它的行为酷似在大型粒子对撞机中才能产生的夸克-胶子等离子体，那是一种存在于宇宙诞生初期、由极高能量亚原子粒子构成的原始汤（各种基本粒子混合在一起的高能流体状态）。如今，这份宇宙级配方竟在一张小小的碳原子薄片上得以复现。

这项突破的深远意义在于，它将原本需要极端环境（如黑洞附近或粒子加速器）才能研究的物理现象，搬进了寻常实验室。科学家现在可以利用石墨烯这片微观舞台，探索黑洞热力学、量子纠缠熵等前沿课题，成本低廉且触手可及。

除了基础科学价值，它还有广阔的应用前景。狄拉克流体的独特性质，使其有望成为下一代量子技术的核心。例如，基于此开发的高灵敏度量子传感器，能够捕捉极其微弱的电磁信号。想象一下，未来或许能用它来探测人脑神经元发出的细微电波，或是监测材料内部最隐蔽的缺陷，其精度将实现质的飞跃。

石墨烯再次证明了它为何被称为材料界的奇迹。发现二十年后，它依然能颠覆我们的认知，将教科书上的定律改写。这项研究告诉我们，即使是最基础的规律，也可能在恰当的舞台上展现出全新的面孔。

石墨烯展现出一种奇特的量子流体特性，其中电子的流动方式几乎与完美的液体无异。图片来源：ScienceDaily.com

课代表总结：关键是这个铁律，这周我刚给学生讲过！这合理吗？

参考文献：

Aniket Majumdar, Nisarg Chadha, Pritam Pal, Akash Gugnani, Bhaskar Ghawri, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Subroto Mukerjee, Arindam Ghosh. Universality in quantum critical flow of charge and heat in ultraclean graphene. Nature Physics, 2025; 21 (9): 1374 DOI: 10.1038/s41567-025-02972-z

05

海平面留给威尼斯的时间不多了

想象一下，你住在一座无与伦比的水上宫殿里，但地基正以肉眼可见的速度缓缓下沉。更糟糕的是，环绕你的海水，这位曾经温柔的邻居，正变得日益高涨和汹涌。这不是寓言，而是威尼斯正在书写的现实。

一项发表于《科学报告》的最新研究，为这座传奇水城揭示了一个残酷而清晰的未来：随着海平面不断上升，威尼斯面前可行的道路将一条条消失，直到无路可走。

威尼斯并非突然陷入危机。过去150年间，洪水愈发频繁，罪魁祸首是相对海平面上升，这既源于全球变暖导致海水膨胀，也与城市本身的地面沉降有关。

自2022年起，一套名为“摩西”（MoSE）的巨型可移动屏障系统开始守护威尼斯的三处泻湖入口。风暴来袭时，它如巨人般升起，拦阻海水；平日则沉入水底，让船只通行。这像是一道可以收放的“超级水闸”，是目前开放泻湖策略的核心。

然而，研究指出，随着海平面升高，风暴潮会更频繁地触发“水闸”关闭。到本世纪末，在最坏的高排放情景下，“水闸”可能每年需要关闭数月。这不仅会阻断航运、影响经济，更会因水体交换停滞而扼杀泻湖脆弱的生态系统。这道“水闸”的保护是有期限的。

研究清晰地勾勒出四条主要的适应路径，每一条都意味着不同的牺牲与获得。

开放泻湖（升级版）：在摩西系统基础上，辅以更多“打补丁”式的适应措施。例如，大规模抬高街道和建筑地基，甚至向地下深层注入海水，试图把整个城市区域“顶”起来。这能暂时保住城市肌理和旅游业，但代价高昂，且无法挽救日益恶化的泻湖生态。这就像不断加高自家门槛来阻挡洪水，但院子迟早会变成池塘。

环形堤坝：在城市核心区外围修建一圈坚固的堤坝，将其与外部泻湖隔离。坝内是得以保存的威尼斯，坝外是放任自然演变的泻湖。这保住了标志性的建筑和城市功能，却切断了威尼斯与孕育它的泻湖之间血脉相连的物理与文化纽带。威尼斯将变成一座“水族箱”里的微缩模型。

封闭泻湖：更激进的方案。在泻湖所有出海口修建永久性大坝，将其彻底变为一个内陆湖。这能长期保护城市免受任何风暴潮侵袭，安全性最高，但意味着泻湖自然生态系统彻底终结，咸淡水交换停止，变成一个需要人工维护的巨大水池。威尼斯保住了躯壳，却永远失去了灵魂的故乡。

撤退与放弃：这是最后的选择。有计划地将最重要的历史建筑拆卸、搬迁到内陆高处重建，让大部分城市逐渐被海水吞噬。这只能保留零散的文化碎片，威尼斯的整体性、其生活传统与社会网络将永远消失。这就像把《蒙娜丽莎》的画像剪下来珍藏，却烧毁了卢浮宫。

研究表明，在现有高排放路径下，以“摩西”为核心的开放泻湖策略，可能在本世纪内就会触及硬性极限。届时，城市将不得不做出痛苦抉择：是筑起环形堤坝，还是彻底封闭泻湖？而如果全球减排努力持续不足，到22世纪，若南极冰盖加速崩塌导致海平面急剧上升，那么“撤退”可能成为唯一且不可避免的选项。

四种方案，从上到下分别是：开放瀉湖，环形大坝，封闭瀉湖，撤退 （图片来源：参考文献）

课代表总结：估计观望的结果，最后还是撤退。

参考文献：

https://www.nature.com/articles/s41598-026-39108-z

作者简介

牧心，科普作者。