2016年12月9日Science期刊精華

2016年12月12日/生物谷BIOON/---本周又有一期新的Science期刊（2016年12月9日）發布，它有哪些精彩研究呢？讓小編一一道來。

1.Science：開發出分泌胰島素的人工β細胞

doi:10.1126/science.aaf4006

在一項新的研究中，來自瑞士蘇黎世聯邦理工學院和中國華東師範大學等機構的研究人員利用一種簡單明了的工程學方法製造出人工β細胞。這些人工β細胞能夠做天然的β細胞做的任何事 情：它們測量血液中的葡萄糖濃度，產生足夠的胰島素來有效地降低血糖水平。

對研究人員的新方法而言，他們使用一種基於人腎細胞的細胞系，即HEK細胞。他們使用了HEK細胞膜中天然的葡萄糖轉運蛋白和鉀離子通道。他們利用一種電壓依賴性鈣離子通道、一種產生 胰島素或GLP-1的基因提高它們的功能，其中GLP-1是一種參與血糖水平調節的激素。

在這些人工β細胞中，HEK細胞的天然葡萄糖轉運蛋白攜帶來自血液中的葡萄糖到細胞內部。當血糖水平超過某個閾值時，鉀離子通道關閉。這會顛倒細胞膜上的電壓分布，導致鈣離子通道打 開。隨著鈣離子流進，它觸發HEK細胞內在的信號轉導級聯事件，導致胰島素或GLP-1的產生和分泌。

在糖尿病模式小鼠體內對這些人工β細胞的初步測試揭示出這些細胞是非常有效的：論文共同通信作者、蘇黎世聯邦理工學院生物系統科學與工程系Martin Fussenegger教授說，「它們要比 迄今為止世界上任何地方獲得的任何方法更長時間地更好地發揮功能。」當植入到糖尿病模式小鼠體內時，這些經過修飾的HEK細胞在三周內可靠地發揮作用，產生足夠數量的調節血糖水平的 胰島素或GLP-1。

2.Science：在小鼠腦中發現可調控時間感知的神經元

doi:10.1126/science.aah5234

在里斯本尚帕利默未知技術研究中心(Champalimaud Centre for the Unknown)的神經科學家團隊已經發現，可以通過調控小鼠腦的深部區域中某些神經元的活動來誘導動物低估或高估固定時 間間隔的持續時間。換句話說，他們在小鼠的腦中第一次確定了調節判斷經過時間的神經迴路。

大腦是如何產生這種對時間的可變估計的？由Learning Lab實驗室的項目負責人Joe Paton、博士生Sofia Soares和博士後 Bassam Atallah，給出了這個長期存在神經生物學上的問題在神經 生物學上的答案，現已發表於Science。不僅於此，他們的研究結果也可以幫助解釋：為何當我們覺得有趣時，時間猶如白駒過隙，而當我們感到無聊時，時間卻慢得像一隻蝸牛。

Learning Lab有興趣研究某些多巴胺釋放神經元（多巴胺是大腦的化學信使之一或神經遞質）在大腦深處的結構，稱為中腦黑質密集體，對時間處理髮揮著作用。

Paton在《Science》中寫道，多巴胺神經元牽涉許多與時間估計變化相關的心理因素和失常症。諸如動機，注意力，感覺改變，新奇性，恐懼或感覺快樂的情緒因素，在Paton的實驗中，給大 鼠可怕的刺激，它的多巴胺釋放急劇下降。在人類中，黑質的破壞導致帕金森病，損害對時間的感知。

選擇對多巴胺神經元更仔細地觀察，是因為它們能投射到紋狀體上，Paton的研究小組之前對紋狀體進行過徹底地研究，並發現紋狀體傳遞的信息支持時序行為。移除多巴胺輸入到紋狀體的神 經元，會導致選擇性的時間損失。

3.Science：多巴胺信號編碼成功與失敗

doi:10.1126/science.aah6837; doi:10.1126/science.aal3205; doi:10.1126/science.aah6799

在運動學習的理論中，一種理論認為我們在一開始先嘗試各種不同的動作：比如打網球時，儘管新手想要把球發到外角，落點都會在不同的地方。在不斷練習的過程中，每當一個動作 達到了 目的（球成功落到外角），那個動作就會得到強化；而那些 糟糕的動作（比如打飛出場）就會被放棄。

了證明小鳥唱歌的確有用到強化學習，以及更一般地，多巴胺信號不僅編碼傳統的獎勵預測誤差也編碼運動學習中的表現誤差，我們記錄了斑胸草雀唱歌時多巴胺的放電活動。與此同時，為 了控制鳥感知到的歌聲表現（唱歌好聽不好聽/是否是想要唱的），我們在它唱到特定音節時用音箱播放一個廣譜噪音 (broadband noise)，或是它歌聲中的另一個音節 (displaced syllable)。這類聽覺反饋 (Distorted Auditory Feedback, DAF) 可以使小鳥學習唱頻率不同的音節。 因為這是第一次有人用不同音節作為反饋音，我們也重複了CAF，證明用不同音節作為 反饋音亦可引起學習。

當歌聲質量被人為降低時（通過噪音/音節的回放），我們發現 多巴胺細胞的放電活動短暫降低——事實上大部分時候是直接停止了約100毫秒。

更有趣的是，有約50%的情況下我們沒有播放DAF，而是讓小鳥正常唱歌。當歌聲照常進行時，多巴胺細胞的放電活動在目標音節後短暫加強 。

這是一個令人意外地發現（表示驚喜的信號）：這意味著在我們的實驗進程中，小鳥已經更新了對自己歌唱水平的 預期 ，認為目標音節常常唱不好——所以才會在唱好（即沒有DAF）的時候 釋放多巴胺，作為一個表現超出預期 的信號用來訓練唱歌迴路。

在實驗的前半部分我們採用的是50/50隨機播放DAF。在此條件下多巴胺細胞習得了雜訊在歌聲中的時間（即目標音節），並能在此時間發出成功信號。那麼成功和失敗信號的大小是否和反饋 概率（即失敗的概率）有關呢？為此我們進行了新一組實驗。 在同一首歌中選取兩個不同的音節作為反饋目標，並對目標1和目標2進行獨立隨機的反饋 ，反饋概率分別為50%和20%。

我們發現， 目標2 (低概率反饋) 的正常表現所引起的多巴胺活動顯著低於目標1 (高概率反饋)。這說明由成功表現而引起的多巴胺活動依賴於歷史出錯率： 最近的失敗次數越多，意味著成 功越難得，引起的多巴胺釋放就越多 。

4.Science：移動貨幣與長期貧困和性別影響之間的關係

doi:10.1126/science.aah5309

在發展中國家，銀行支行和固話通信是稀少的，但是手機是比較多的。這些因素已導致移動貨幣的使用，憑藉這種使用，錢能夠被用來購買時間，而時間隨後也能夠轉化回錢。Suri和Jack證 實增加對移動貨幣的使用會增加看肯亞的長期消費和降低極端貧困家庭的數量。

5.Science：RNA複製因子短暫區室化阻止寄生物造成的滅絕

doi:10.1126/science.aag1582

RNA複製因子（replicator）的進化是生命起源的一個關鍵步驟。這樣的複製因子會遭受更加快速複製的「分子寄生物（molecular parasite）」之苦。在原始細胞（protocell）內，將複製 因子區室化有助緩解這些寄生物帶來的影響。Shigeyoshi Matsumura等人證實在非生物材料中短暫的區室化足以抑制寄生物接管的問題。他們分析了基於液滴的微流體系統中的病毒複製，揭 示出只要存在對功能性複製因子的選擇，就不會讓更加快速複製的寄生物基因組佔據主要地位。

6.Science：λ噬菌體的同域和異域物種進化

doi:10.1126/science.aai8446

新物種通過生殖障礙進化而得以產生。在新興的物種彼此之前存在空間隔離的地方，這個過程已得到很好地理解。但是同域物種形成（sympatric speciation）---不同的物種在相同的地方共同存在---的過程是個謎。噬菌體是解決這個問題的好模型，這是因為它們較快的世代時間。Meyer等選擇λ噬菌體，在兩種大腸桿菌菌株混合物中培養它。在一些實驗中，這些噬菌體存在一些差異：它們變成僅在一種大腸桿菌菌株中複製，即便另一種大腸桿菌菌株也存在。

7.Science：基因組分析揭示鱂魚快速適應毒物污染

doi:10.1126/science.aah4993; doi:10.1126/science.aal3211

很多有機體已對天然的和人類產生的毒物產生耐受性。Reid等人對地理上相分離和獨立的最近已適應嚴重污染的鱂魚進行基因組分析。對多種污染敏感的和抵抗污染的鱂魚群體進行測序，結果表明通過選擇性清除，留下可能使得它們對毒物產生耐受性的變異體。因此，鱂魚中較高的基因多樣性似乎允許對現存的變異加以選擇，從而促使快速地對污染等選擇性壓力產生適應。（生物谷 Bioon.com）

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