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　　近日，金沙威尼斯欢乐娱人城南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室（LTO）研究员王春在团队首次利用卫星观测数据、再分析资料和CMIP6模式揭示了当前和未来气候变暖情景下全球海洋热浪/冷浪事件特征及其物理机制。该研究以姚玉龙博士为第一作者、王春在为通讯作者发表在Earth’s Future上，合作者包括美国乔治亚理工学院付垚博士。
　　海洋热浪是指发生在海洋中的极端高温事件，定义为海表温度至少连续五天超出气候平均态90百分位阈值。海洋热浪在时间上可持续数天至数月，面积可达几平方公里至数千平方公里，给海洋生态系统带来严重威胁。海洋冷浪与海洋热浪相反，定义为海表温度至少连续五天低于气候平均态10百分位阈值。海洋冷浪也会导致珊瑚礁白化、鱼类死亡等海洋生态灾害。该研究表明，1982-2020期间全球海洋热浪快速增加，年均总天数趋势为8.7天/10年；海洋冷浪快速减少，年均总天数趋势为-6.0天/10年。CMIP6多模式结果也同样表明未来（2021-2070）海洋热浪增多而海洋冷浪减少，且海洋热浪与冷浪的发生面积比在SSP245情景下达20倍，SSP585情景下达45倍。需要特别指出的是，北大西洋副极地海域成为未来海洋冷浪事件的“高地”，海洋冷浪总天数和平均持续时间都显著高于其他海域。
　　图1 2021-2070年SSP585全球变暖情景下，海洋热浪（左列）和海洋冷浪（右列）指数的多年平均空间分布
　　上层海洋（0-700米）变暖是导致全球海洋热浪增多而海洋冷浪减少的主要原因。全球变暖背景下，未来上层海洋热含量仍持续增加，且混合层深度不断变浅，促使海洋热浪事件增多而海洋冷浪事件减少。北大西洋副极地海域的海洋冷浪高值中心与未来大西洋经向翻转流（AMOC）的减弱有关：当AMOC减弱时，海洋向北的热输送减少，导致北大西洋副极地海域变冷，降低海表温度，引发海洋冷浪事件。
　　图2 2021-2070年SSP245全球变暖情景下，标准化后的北大西洋副极地海域（黑色框）海洋冷浪总天数与40°N处（红色彩条线）AMOC指数的时间变化
　　本研究得到了国家自然科学基金重大项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金等共同资助。
　　相关论文信息：Yao, Y., Wang, C*., Fu, Y. (2022). Global marine heatwaves and cold-spells in present climate to future projections. Earth’s Future, doi: 10.1029/2022EF002787.
　　https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022EF002787
　　

2022-10-29

南海海洋所在全球海表流场多尺度结构观测卫星计划（OSCOM）取得新进展

　　近日，金沙威尼斯欢乐娱人城南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室（LTO）研究员杜岩与金沙威尼斯欢乐娱人城国家空间科学中心研究员董晓龙、国家海洋卫星应用中心蒋兴伟院士联合金沙威尼斯欢乐娱人城微小卫星创新研究院等研究团队，进一步深化了全球海表流场多尺度结构观测卫星计划（Ocean Surface Current multiscale Observation Mission, OSCOM）的科学目标和卫星任务方案论证研究工作（杜岩等，2022），相关成果发表在《空间科学学报》上。
　　OSCOM是2018年提出并得到空间科学先导专项（二期）背景型号项目支持的空间地球科学卫星计划。OSCOM主要任务目标是首次实现宽刈幅和高时空分辨率的全球海表全流场直接观测（水平分辨率：5-10km，刈幅：1000km；Du等，2021）。经过背景型号阶段对科学目标深化论证与有效载荷配置方案的深入研究，研究团队进一步凝练了科学目标，优化了有效载荷配置方案，突破了有效载荷和数据处理的关键技术。OSCOM参加了空间科学先导专项（三期）工程候选项目的综合论证和遴选，目前是进入未来空间科学任务候选项目之一（Shi等，2022）。
　　经过深化论证和研究，OSCOM将聚焦高精度、高分辨率全球海表流场的直接观测，创新提出海表流场、海面风场和海浪谱（简称 “流–风–浪”）一体化探测的多普勒散射计（Doppler Scatterometer, DOPS）测量原理和系统体制，采用Ka-Ku 双频多波束圆锥扫描体制的真实孔径雷达，实现超过1000 km观测刈幅、公里级分辨率的“流–风–浪”一体化卫星直接观测（图1）。OSCOM任务的实施将突破海洋亚中尺度非平衡态动力学、海洋多尺度相互作用、海气耦合的研究瓶颈，支撑实现海洋系统科学、气候变化等理论研究的重大突破。
　　图1 全球海表流场多尺度结构观测卫星与海洋多尺度动力过程示意图
　　未来基于OSCOM海表流速观测，将实现海洋和海气耦合模式的重大改进，奠定海洋非平衡态过程数值模拟、同化和预报的动力学基础；进一步通过与多源海洋和大气遥感数据融合，将为海洋生物地球化学循环、碳收支研究和国家重大应用提供支撑。
　　作为一个空间地球科学卫星任务，OSCOM的定位于聚焦重大科学问题的创新与突破，实现重大科学目标。OSCOM任务首次提出并采用海表运动多普勒测量结合步进差频测量和高精度海面散射测量的“流-风-浪”一体化探测与联合反演技术，实现“0到1”的创新突破，为我国未来应用卫星的跨越发展发展提供必要的理论与技术准备和支撑。OSCOM 科学卫星的实施对于我国地球系统科学和卫星对地观测重大应用的突破有至关重要的意义，有望带动我国应用卫星的发展从追赶、并行走向领跑。
　　相关论文信息： https://www.xml-journal.cn/xmlTypeset/wechatopen/articleAbs/e0c7fb527bd4392e2c02fe92781bdeabb065b6ed66711bccdc37d1839bb9db82

2022-10-29

南海海洋所利用Glider揭示了中尺度涡边界锋SCM层的变化机制

　　近日，金沙威尼斯欢乐娱人城南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室（LTO）研究员李芊团队，在中尺度涡旋边界锋面处次表层叶绿素极大值层的动态变化机制研究上取得新进展。相关研究成果发表在PROGRESS IN OCEANOGRAPHY（《海洋学进展》）上。陈寅超博士为第一作者，李芊为通讯作者。
　　次表层叶绿素极大值层（SCM）在海洋中普遍存在，它的形成、维持和变化反映了海洋生态系统中物理-生物相互作用。传统的海洋观测平台难以完整的观测SCM的动态过程，利用配备了生物地球化学观测器的水下滑翔机，研究团队在南海对涡旋边界锋面处的SCM进行了高分辨率的观测。
　　研究发现，艾克曼泵吸影响着着向上供给的营养盐通量，从而调控水体内的叶绿素总含量的变化。而次中尺度不稳定性调控着锋面处叶绿素的垂向分布。在涡旋北侧，风驱动的艾克曼输送将表层的高密度海水输送到低密度海水的上方，从而产生重力不稳定（GI）并进一步诱导垂向对流，从而改变水体内叶绿素的垂向分布；在涡旋东北侧，对称不稳定（SI）从水平浮力梯度中摄取能量，诱导产生次级环流使得原本倾斜的等密度面变得平坦，从而将水体内的叶绿素在垂直方向上重新分布。
　　初步碳质量守恒分析表明，涡旋外部高的净群落生产力将提高海-气氧交换通量和真光层底部颗粒有机碳（POC）的输出通量，并从涡旋两侧的两个深层高POC斑块中进一步获得佐证。
　　本研究揭示了海洋中小尺度动力过程中的物理-生物相互作用，有效地填补了传统观测手段在本领域的空白，为促进海洋自动化观测平台的发展以及耦合数值模型的应用提供了重要的参考。
　　该研究工作得到国家重点研发计划、广东省领军人才专项支持计划、南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）人才团队引进重大专项的联合资助。
　　相关论文信息：Chen, Y., Li, Q.P.*, Yu, J., 2022 Submesoscale variability of subsurface chlorophyll-a across eddy-driven fronts by glider observations, Progress in Oceanography, 12905， https://doi.org/10.1016/j.pocean.2022.102905
　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079661122001641
　　图1 南海西沙海域气旋涡边界的次中尺度过程示意图
　　图2 水下滑翔机观测过程中物理和生地化参数在密度面上的变化
　　（虚线代表涡边界锋面区域）
　　图3 水下滑翔机观测不同阶段上层碳通量和氧通量变化
　　

2022-10-29

广州地化所在四川盆地北部天井山与米仓山震旦系-寒武系
古老含油气系统的烃源与成藏示踪研究方面取得进展

四川盆地北部发育有天井山和米仓山两个相邻的古隆起（图1），古隆起及其周缘地区是现今四川盆地深层油气勘探的热点地区。该地区多个地层中广泛存在的油苗、油砂和固体沥青指示其经历过规模生排烃且极具油气资源潜力。针对该古老含油气系统的油源问题，前人（包括本团队早期的工作，Wu et al., 2012）利用生物标志物分析、干酪根总碳同位素分析以及沥青Re-Os同位素年龄分析等指标开展了相关烃源对比工作，将该区域的主力烃源岩层锁定在震旦系与寒武系地层。然而，受制于震旦系与寒武系烃源岩在沉积和生物演化上的连续性，如何有效区分这两套烃源岩及它们对生烃的贡献一直是个难题，且严重制约了该区域深层油气的进一步勘探。
　　图1 四川盆地北部天井山和米仓山隆起区地质背景图
　　针对上述问题，金沙威尼斯欢乐娱人城广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室方新焰博士后及吴亮亮副研究员，利用催化加氢热解技术释放的键合态生物标志物指标、干酪根/固体沥青总碳同位素值以及微量元素等指标，深入开展了天井山与米仓山地区两个古老海相油气系统的烃源及成藏示踪研究。结果表明天井山地区震旦系-寒武系地层中的油气主要以相对较低的成熟度（等效镜质体反射率(EqVRo) < 1.0%）、轻的δ13Corg值（-34.0‰ ~ -38.4‰）、C29-规则甾烷优势、以及富集V和Mo元素、强烈亏损Bi元素为特征。而米仓山地区震旦系灯影组中的固体沥青具有较高的热演化程度（EqVRo) > 2.0%、稍重的δ13Corg值（-27.5‰ ~ -36.0‰）、C27-规则甾烷优势、以及微弱富集Mo元素、强烈亏损Rb和Bi元素等特征。进一步结合烃源岩地球化学特征分析表明，天井山地区寒武系-侏罗系地层中的油气主要来源于下寒武统筇竹寺组烃源岩，而米仓山地区震旦系灯影组中的固体沥青主要来源于震旦系陡山沱组烃源岩。
　　图2 四川盆地北部天井山和米仓山隆起区震旦系-寒武系含油气系统的演化示意图
　　通过含油气系统分析表明，天井山地区的海相油气（主要来源于下寒武统筇竹寺组）从三叠纪的印支运动开始就不断地通过一系列逆冲断层和滑脱层等通道运移至地表等埋深相对较浅的层系当中，避免了长期的深埋热蚀变过程（图2）。而米仓山地区的灯影组古油藏（主要来源于震旦系陡山沱组）一直深埋至白垩纪的燕山运动后才抬升至地表，此时其内的古油藏早已全部热裂解成固体沥青。本研究还表明键合态规则甾烷和微量元素分布特征以及δ13Corg值是四川盆地深层油气源示踪的有效指标，两个隆起区之间的川西坳陷北段深层（如震旦系、寒武系、泥盆系、二叠系、三叠系和侏罗系等）相比隆起区具有相似的运移条件和更好的保存条件，有望在未来震旦系-寒武系油气勘探中取得突破。
　　该研究成果近期发表在油气领域国际期刊《Marine and Petroleum Geology》。该研究受到国家自然科学基金（41972150）、中科院先导专项（XDA14010103）和有机地球化学国家重点实验室自主课题（SKLOGA2020-1）等资助。
　　论文信息：
　　Fang Xinyan(方新焰), Geng Ansong(耿安松), Liang Xiao(梁霄), Cheng Bin(程斌), Li Yun(李芸), Jiang Wenming(蒋文敏), Wu Liangliang(吴亮亮)*, 2022. Comparison of the Ediacaran and Cambrian petroleum systems in the Tianjingshan and the Micangshan uplifts, northern Sichuan Basin, China. Marine and Petroleum Geology 145, 105876.
　　Wu Liangliang, Liao Yuhong, Fang Yunxin, Geng Ansong*, 2012. The study on the source of the oil seeps and bitumens in the Tianjingshan structure of the northern Longmen Mountain structure of Sichuan Basin, China. Marine and Petroleum Geology, 37(1), 147-161.
　　论文链接

2022-10-26

华南植物园“一种提高胼胝兜兰双花率和花期调控的方法”获发明专利

10月12日获悉，由中科院华南植物园曾宋君等科研人员完成的“一种提高胼胝兜兰双花率和花期调控的方法”获国家发明专利授权。该发明公开了一种提高胼胝兜兰双花率和花期调控的方法，包括以下步骤，开花前，在具有4 - 5片叶的胼胝兜兰植株基部注射赤霉素溶液。
　　10月12日获悉，由中科院华南植物园曾宋君等科研人员完成的“一种提高胼胝兜兰双花率和花期调控的方法”获国家发明专利授权。
　　该发明公开了一种提高胼胝兜兰双花率和花期调控的方法，包括以下步骤，开花前，在具有4-5片叶的胼胝兜兰植株基部注射赤霉素溶液。该发明在提高栽培技术的基础上，采用赤霉素（GA3）注射方法，能大幅度地提高胼胝兜兰双花率，花期也提早1－2个月，并提高开花率和开花整齐度。国内外还没有采用注射赤霉素法进行兜兰花期调控的报道，该发明可填补国内外空白，对促进我国兜兰产业的发展具有积极的推动作用。技术切实可行，应用价值高。
　　

2022-10-13

华南植物园揭示濒危植物报春苣苔交配系统转变的基因组效应

植物交配系统转变是自然界中最常见的进化现象之一。交配系统由异交向自交的转变通常伴随着一系列表型性状和遗传特征的变化，即自交综合征。迄今为止，人们对植物交配系统转变的基因组效应还非常缺乏理解。研究发现，报春苣苔高自交群体具有典型的基因组自交综合征，具体表现为自交群体遗传多样性丧失、适应性潜力下降、选择效率减弱、连锁不平衡程度升高、遗传负荷增加及有害突变积累等不良后果，该结果支持了自交是进化死胡同的假说。但是，报春苣苔混合交配的群体中并没有发生遗传多样性丧失以及遗传负荷增加，说明混合交配能在一定程度上避免自交带来的不良影响。报春苣苔和牛耳朵纯化选择作用强度、遗传负荷以及适应性进化速率比较。
　　植物交配系统转变是自然界中最常见的进化现象之一。交配系统由异交向自交的转变通常伴随着一系列表型性状和遗传特征的变化，即自交综合征。迄今为止，人们对植物交配系统转变的基因组效应还非常缺乏理解。
　　报春苣苔（Primulina tabacum）是国家重点保护野生植物，目前仅分布于南岭山地的喀斯特和丹霞地貌特殊生境。前人研究发现，该物种具有“花瓣脱落”自花授粉机制，这与其他报春苣苔属植物普遍的异花授粉机制明显不同。但是，我们也发现报春苣苔种内存在交配系统多样性，其自然种群具有从高度自交到高度异交的连续变异，这为研究交配系统转变的遗传效应提供了理想材料。
　　中科院华南植物园植物研究中心康明研究团队以报春苣苔和牛耳朵（Primulina eburnea）为研究对象，采用全基因组测序及群体基因组重测序数据，系统地从基因组水平研究了报春苣苔属交配系统转变的遗传效应。研究发现，报春苣苔高自交群体具有典型的基因组自交综合征，具体表现为自交群体遗传多样性丧失、适应性潜力下降、选择效率减弱、连锁不平衡程度升高、遗传负荷增加及有害突变积累等不良后果，该结果支持了自交是进化死胡同的假说。但是，报春苣苔混合交配的群体中并没有发生遗传多样性丧失以及遗传负荷增加，说明混合交配能在一定程度上避免自交带来的不良影响。此外，基于遗传多样性比较与群体历史重建，研究发现报春苣苔高自交群体的遗传多样性丧失主要是由交配系统转变导致的，而不是遗传瓶颈。该研究为理解植物交配系统的转变及进化提供了详实的实验证据。同时，该研究发现，报春苣苔具有3个高度遗传分化的地理谱系，为该物种的迁地保护策略提供了理论基础。
　　相关研究成果已近期发表在国际进化生物学重要期刊Molecular Ecology（《分子生态学》）上。华南植物园博士研究生易慧琴为论文第一作者，康明研究员为论文通讯作者。该研究获得国家自然科学基金和中科院战略先导科技专项（B类）等的资助。
　　图1. 报春苣苔与牛耳朵表型差异
　　图2. 报春苣苔和牛耳朵纯化选择作用强度、遗传负荷以及适应性进化速率比较
　　

2022-10-26

广州地化所在干酪根力学性质随热成熟度的演化特征研究获进展

　　干酪根是页岩基质的重要组成部分，对于富有机质页岩来说，其相对高的含量一定程度上也影响着页岩的宏观力学特征。在整个页岩热演化过程中，由于有机质自身化学组构改变等，可能会导致页岩宏观力学性质的变化。因此，准确理解干酪根在热成熟过程中的纳米力学行为对建立相应岩石力学模型来提高地震数据解释精度、优化页岩井壁稳定性和水力压裂设计、开展甜点评价以及进行钻井工程设计等都具有重要意义。前人对于干酪根的力学性能随热成熟度的演化特征一直存在一定的争议（Zargari et al., 2016; Khatibi et al., 2018），也缺乏干酪根在整个油气生成阶段力学性质的演化特征的研究。
　　针对上述问题，金沙威尼斯欢乐娱人城广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室博士生王建丰在导师熊永强研究员指导下，选取下马岭组页岩干酪根为研究对象，开展封闭体系黄金管热模拟实验，利用激光拉曼光谱仪、固体13C核磁共振技术和纳米压痕仪，探究热演化过程中干酪根表面力学性能演化规律及影响因素，主要得到以下认识：
　　干酪根表面力学性质（杨氏模量和硬度）随热成熟度EasyRo（0.73-4.45%）增大而增大，主要表现为两段式的演化规律。在热降解生油阶段-湿气阶段（EasyRo在0.73%-2.50%）力学参数值增长量较小；杨氏模量从3.44±0.29GPa上升到5.56±0.30GPa，硬度从0.18±0.01 GPa上升到0.42±0.03GPa。干气阶段（EasyRo在2.50%-4.45%），其力学性能参数值增长量较大，上升更快；杨氏模量从5.56±0.3GPa迅速上升到9.71±1.0GPa，硬度从0.42±0.03GPa上升到1.47±0.31GPa（图1），干气阶段的力学参数值标准差相对较大，主要与其表面结构各向异性程度较高有关。
　　图1 干酪根硬度随EasyRo（%）的变化(a)、杨氏模量随EasyRo（%）的变化(b)。
　　干酪根力学性能随成熟度的演化趋势主要受控于其内部化学结构的变化。表现在：在生油阶段-湿气阶段和干气阶段，其杨氏模量、硬度与峰位差（RBS）、芳碳率（fa）和桥头碳占比（faB）都存在较好的线性正相关性（R2＞0.71）（图2），表明干酪根中芳香结构的不断缩合是导致其力学性能增强的主要因素。
　　图2 干酪根的力学性能与峰位差（RBS）、芳碳率（fa）和桥头碳占比（faB）的关系
　　上述研究通过实验揭示了干酪根力学性质随热成熟度的演化特征，对于建立相应岩石力学模型，精细刻画和预测不同成熟度页岩的力学性能具有重要的理论意义与应用潜力。研究成果近期发表在国际期刊《Marine and Petroleum Geology》。本研究得到了金沙威尼斯欢乐娱人城战略性先导科技专项A类（XDA14010102），国家自然科学基金项目（41902129、41802165和42002158）和有机地球化学国家重点实验室自主课题（SKLOG202012）的资助。
　　论文信息：Jianfeng Wang（王建丰）; Yuke Liu（柳宇柯）; Chao Yang（杨超）; Wenmin Jiang*（蒋文敏）; Yun Li*（李芸）; Yongqiang Xiong（熊永强）, Ping’an Peng（彭平安）; Evolution of mechanical properties of kerogen with thermal maturity. Marine and Petroleum Geology, 145: 105906.
　　论文链接
　　

2022-10-25

深圳先进院李剑平团队训练人工智能准确描绘海洋浮游生物图像真实色彩

李剑平团队设计并训练了一种基于深度卷积神经网络的浮游生物自动着色算法，命名为IsPlanktonCLR网络。
　　近日，金沙威尼斯欢乐娱人城深圳先进技术研究院集成所光电工程技术中心李剑平博士团队在海洋观测机器视觉算法研究中取得新突破，设计发展了一种深度学习图像着色算法，可将水下原位拍摄的海洋浮游生物灰度图像自动着色为天然色彩，着色效果极为接近人眼观察。最新研究论文以Colorization for In Situ Marine Plankton Images为题，被国际机器视觉三大顶级学术会议之一的欧洲机器视觉大会(European Conference on Computer Vision，2022 ECCV，10.23日-27日于以色列特拉维夫召开)接收发表，金沙威尼斯欢乐娱人城大学硕士研究生郭冠男为第一作者，李剑平博士为论文通信作者，来自厦门大学、哈尔滨工业大学（深圳）的数据科学家参与本课题的合作研究。
　　
　　浮游生物是海洋生态系统的基本组成部分，它们不仅是海洋渔业和水产养殖业的基础，还对全球气候变化和海洋碳汇起着难以估量的影响。因此，对浮游生物的观测不仅是海洋生态科学研究的基础，也是现代海洋生态环境管理不可或缺的手段。自20世纪90年代初以来，水下显微光学成像技术和仪器被逐步研发利用，通过原位成像观测助力海洋浮游生态系统研究，大大推动了人类对以浮游生物观测为基础的相关科学认知。
　　近年来，随着技术的发展，越来越多的浮游生物成像仪实现了彩色成像，也有许多实验证明彩色图像能够比灰度图像带来更为丰富的信息，对浮游生物观测起到重要作用。然而，水下彩色成像需要使用白光照明，会导致浮游动物因趋光性大量聚集在水下成像仪器前，改变它们在水下的原有空间分布（如下图所示）。这种非自然的改变，会使导致浮游生物的观测结果产生严重偏差，观测定量无法准确。
　　
　　由于绝大多数浮游动物对波长较长的红光不敏感，传统的水下成像仪多数使用红光或近红外光照明成像，以避免浮游动物的趋光性聚集。但是，显然这样的拍摄条件只能获得浮游生物的灰度图像。如果能够训练人工智能，将红光照明下获取的灰度图像转换为高保真的彩色图像，则上述问题即可迎刃而解。
　　针对这一设想，李剑平团队设计并训练了一种基于深度卷积神经网络的浮游生物自动着色算法，命名为IsPlanktonCLR网络。 IsPlanktonCLR网络采用了一种具有自指导功能的双通路网络结构，配合定制化的调色板和逐步聚焦的损失函数，实现了对浮游生物灰度图像的自动化着色，且对稀有物种和普通物种的关键部位的色彩还原具有优异的准确性。
　　为实现IsPlanktonCLR算法的训练开发，李剑平团队通过长期不懈积累，构建了一个包含上千对浮游生物彩色-灰度原位图像对数据集。利用该数据集，团队不仅训练了着色算法，还与CIC、MemoColor、LetColor、InstCol、Chroma等现有最优水平着色算法进行了性能对比。实验结果证实，无论是在人眼视觉感受效果上，还是在PSNR、SSIM、FID等机器视觉的经典量化指标上，IsPlanktonCLR算法所取得的效果均为最佳。
　　为使比测实验更加公平，团队进行了一项较大规模的人眼感受评价民众调查。利用网上调查问卷，团队收集了115名志愿者对多种不同模型着色结果与真实图像色彩相似性的评分。这些志愿者包含了海洋学家、浮游生物专家和研究生。统计评分结果进一步证实了IsPlanktonCLR算法的着色效果比现有其他方法更加接近人眼视觉感受。　此外，团队还注意到现有面向图像复原的着色算法普遍缺乏客观、定量的着色评价指标。现有评价指标不仅难以模拟人眼视觉的色彩感知能力，还难以客观量化评价着色图像与真实图像之间的色彩相似程度。
　　因此，该论文提出了一个融合了色彩直方图、色彩聚合向量、色彩相关图和色彩梯度等彩色特征的图像色彩相似度评价指标CDSIM。通过在海洋浮游生物和自然场景图像上分别开展测试（如下图所示），验证了CDSIM在着色算法效果评价中不仅有效，而且比现有其他指标更适合在科学成像领域的图像着色评价中应用。
　　IsPlanktonCLR算法的发展为海洋成像观测仪器获取准确、真实的观测结果提供了一种新的人工智能解决方案，其效果不仅直接规避了海洋浮游生物原位成像中因生物趋光聚集所致的观测不准确问题，还有可能为其他海洋生物的成像观测困难或损伤带来新的问题解决思路，为人类探索和认识海洋提供新的技术手段。本项目得到金沙威尼斯欢乐娱人城和深圳市科技创新计划等项目资助。
　　
　　浮游生物图像自动着色算法的神经网络结构示意图
　　
　　
　　CDSIM在海洋浮游生物图像（a）和自然场景图像（b）上的测试结果示例
　　

2022-10-24

深圳先进院等提出类风湿关节炎诊疗新策略

近日，金沙威尼斯欢乐娱人城深圳先进技术研究院（简称“深圳先进院”）与美国德克萨斯大学奥斯汀分校研究团队在PNAS上联合发表研究成果，提出了一种基于仿生递送体系的类风湿关节炎诊疗新策略。
　　类风湿性关节炎 (RA) 是一种直接影响关节的慢性自身免疫性疾病。症状包括因骨骼、软骨和滑膜的炎症损伤而引起的肿胀和变形[1]。RA还可能导致心血管、肺部、心理和骨骼疾病[2]。虽然RA的确切病因尚不清楚，但已证实在RA发生发展过程中包括多种促炎细胞因子的高表达、活性氧 (ROS) 的过度产生以及RA炎症低氧微环境的形成等[3]。传统的抗风湿治疗药物主要包括非甾体抗炎药（NSAIDs）、抗风湿药（DMARDs）和糖皮质激素[4]。最近，有报道通过生物制剂（如英夫利昔单抗和托珠单抗）抑制促炎因子如肿瘤坏死因子-α (TNF-α) 和白细胞介素 6 (IL-6) 等对传统抗风湿药低应答的RA患者有较好的治疗作用（研究团队此前相关研究Advanced Materials, 2020, 2003399）[5]。这些治疗方式表明了抑制 RA促炎因子的重要性。但针对复杂多样的促炎因子，生物制剂的特异性仍无法满足治疗需求，且也无法调控对RA发生和发展有重要促进作用的低氧等微环境。因此，研究一种对RA微环境具有特异、高效诊疗作用的新方法至关重要。
　　近日，金沙威尼斯欢乐娱人城深圳先进技术研究院（简称“深圳先进院”）与美国德克萨斯大学奥斯汀分校研究团队在PNAS上联合发表研究成果，提出了一种基于仿生递送体系的类风湿关节炎诊疗新策略。
　　
　　文章上线截图
　　
　　该研究联合使用小干扰RNA（siRNAT/I）和普鲁士蓝（PB）来沉默促炎细胞因子TNF-α/IL-6的表达，并清除RA微环境中过表达的ROS，同时缓解乏氧状态。为了提高siRNAsT/I和PB在体内的稳定性、生物相容性和炎症靶向性，研究人员通过提取内源性巨噬细胞，然后刺激其产生具有同源性的膜囊泡作为仿生载体，合成了一种具有诊疗一体化功能的综合平台—M@P-siRNAsT/I（图1）。
　　
　　类风湿关节炎体外靶向识别机制研究。细胞膜囊泡作为药物递送系统具有天然优势，因为它们源自内源性细胞，具有良好的生物相容性以及较小的免疫原性。此外，由于炎症细胞对炎症组织固有的趋向性，因此对于药物的靶向递送具有潜在的特异识别效果。研究人员首先在细胞层面对M@P-siRNAsT/I的靶向性进行探索。研究发现，相比商用化脂质体作为载体的治疗体系，M@P-siRNAsT/I对血管内皮细胞、滑膜成纤维细胞具有更高的靶向识别能力。机制研究发现，M@P-siRNAsT/I主要通过主动识别血管内皮细胞表面P选择素以及ICAM-1特异蛋白，进而靶向识别激活的成纤维细胞（图2）。该研究表明了仿生膜递送体系具有独特和高效的炎症细胞识别能力。
　　
　　类风湿关节炎体外治疗研究。相比传统抗体类治疗药物，siRNA可以与 mRNA序列特异性配对，从源头抑制促炎因子相关基因的表达。此外，针对类风湿关节炎微环境过表达的ROS以及乏氧特点，研究人员使用了具有催化酶特性的普鲁斯兰，不仅可以清除ROS，还可以催化过氧化氢产生氧气，进而调控RA微环境。通过仿生膜体系的递送，同时提高了siRNA/普鲁斯兰的稳定性和靶向能力。结果证实，M@P-siRNAsT/I在TNF-α/IL-6/ROS等多炎症因子的表达、滑膜成纤维细胞的迁移和新生血管形成方面发挥了很好的抑制效果（图3）。
　　类风湿关节炎体内靶向光声成像研究。普鲁斯兰不仅具有催化酶作用，还具有很好的近红外光声成像特性。研究人员首先构建了一种CIA类风湿关节炎小鼠模型，通过近红外光声成像对M@P-siRNAsT/I的体内行为进行三维实时监测。结果发现，相比商业化脂质体递送体系，M@P-siRNAsT/I可以高效的在类风湿关节炎足爪关节聚集，充分展示了仿生递送体系的炎症靶向能力（图4）。
　　
　　类风湿关节炎体内治疗和疗效评估研究。该研究首先通过传统的micro-CT、病理染色、临床评分等方法对治疗后的关节病灶中骨及软骨破坏、免疫和炎症细胞浸润、炎症因子表达水平进行了检测，发现M@P-siRNAsT/I具有很好的在体治疗效果。同时，研究人员通过无标记多光谱光声成像方法对关节病灶的血氧饱和度进行连续监测，发现治疗后的关节病灶乏氧状态得到有效缓解，这一结果得到乏氧相关蛋白HIF-1α的组织免疫荧光染色的进一步证实（图5）。
　　综上所述，本研究在类风湿关节炎治疗策略方面，突破了传统思路，针对复杂多样的炎症微环境，创新性抑制多个促炎因子相关基因的表达，同时调控RA炎症微环境，清除ROS、缓解乏氧等，起到“双管齐下”的治疗效果；在RA微环境靶向识别方面，利用内源性仿生递送体系天然的炎症趋向特性，解决了基于传统供受体特异识别策略所存在的易脱靶的困境；在成像引导和治疗评估方便，采用光声成像技术，解决了荧光成像在关节成像时穿透浅、无深度信息的难题，可以获取关节病灶三维实时分子信息，为RA的在体精准治疗提供图像信息，同时还可以对治疗时的血氧等功能信息变化进行监测，为RA的预后评估提供有效的影像学手段。
　　本论文第一作者为深圳先进院和香港中文大学第二附属医院（深圳市龙岗人民医院）联合培养博士后陈建海博士。通讯作者为深圳先进院陈敬钦副研究员、刘成波研究员和美国德克萨斯大学奥斯汀分校Jonathan L. Sessler教授。深圳先进院为文章的第一单位。本工作特别感谢深圳先进院张鹏研究员和宋亮研究员、牛津大学Adam博士、龙岗人民医院王本国教授、深圳人民医院张海教授、南方医科大学方驰华教授的指导和大力支持。本工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划、中科院健康信息学重点实验室、广东省分子影像学重点实验室以及美国Robert A. Welch基金的支持。
　　参考文献
　　1.S. A. Jones, B. J. Jenkins, Recent insights into targeting the IL-6 cytokine family in inflammatory diseases and cancer. Nat Rev Immunol 18, 773-789 (2018).
　　2.G. R. Burmester, J. E. Pope, Novel treatment strategies in rheumatoid arthritis. The Lancet 389, 2338-2348 (2017).
　　3.K. Chaudhari, S. Rizvi, B. A. Syed, Rheumatoid arthritis: current and future trends. Nat Rev Drug Discov 15, 305-306 (2016).
　　4.E. V. Arkema et al., Are patients with rheumatoid arthritis still at an increased risk of tuberculosis and what is the role of biological treatments? Ann Rheum Dis 74, 1212-1217 (2015).
　　5.J. Chen et al., Tocilizumab–Conjugated Polymer Nanoparticles for NIR-II Photoacoustic-Imaging-Guided Therapy of Rheumatoid Arthritis. Adv Mater 32, 2003399 (2020).
　　
　　图1. 类风湿关节炎靶向诊疗研究示意图
　　图2. 仿生递送体系的体外靶向研究　
　　图3. 类风湿关节炎体外治疗研究
　　
　　图4. 类风湿关节炎体内靶向光声成像研究
　　
　　

2022-10-24

深圳先进院朱英杰团队揭示大脑处理奖赏和厌恶的伏隔核平行环路新机制

近日，金沙威尼斯欢乐娱人城深圳先进技术研究院（简称“深圳先进院”）朱英杰团队在Nature Communications上发表研究成果，揭示了伏隔核两条平行环路分别调控奖赏和厌恶行为。
　　动物行为的动机往往可以简单概括为“趋利避害”这四个字。人们都喜欢追求让自己愉悦的事物——如美食、性，以及刺激的游戏、优美的音乐、惊心动魄的电影等，这些行为都能促使我们大脑分泌多巴胺，带给我们所谓“快乐”的感觉；而人们会下意识地逃避让我们产生厌恶情绪的事物，如疼痛、危险、饥饿等，这种逃避行为也是大多数成瘾患者无法忍受强烈的戒断症状，进而又陷入毒品复吸的重要原因。
　　多个脑区参与调控上述过程，包括腹侧被盖区（VTA）、伏隔核（NAc）、基底外侧杏仁核（BLA）和丘脑室旁核（PVT）等。其中伏隔核一直被视作是处理奖赏和厌恶信息的中心，是许多研究团队重点关注的脑区。NAc主要由GABA能中型多棘神经元（MSN）组成，MSN可以根据其表达的多巴胺受体不同划分为D1和D2型神经元。过去的研究简单地将调控奖赏和厌恶的行为归结于D1型神经元和D2型神经元的差异。但近年来的研究表明D1-和D2-型神经元都能够参与调控奖赏和厌恶行为[1-3]。与其他投射到NAc的谷氨酸输入不同，朱英杰博士2016年Nature论文中的研究发现PVT？NAc通路调控吗啡戒断相关的厌恶效应[4, 5]。那么，伏隔核分别调控奖赏和厌恶行为的功能单元是否能根据神经元的特异上下游环路来定义呢？
　　近日，金沙威尼斯欢乐娱人城深圳先进技术研究院（简称“深圳先进院”）朱英杰团队在Nature Communications上发表研究成果，揭示了伏隔核两条平行环路分别调控奖赏和厌恶行为。
　　文章上线截图
　　原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-33843-3
　　首先，研究人员利用AAV1-cre病毒顺行跨单突触的特性去分别标记接收BLA投射的NAc神经元（NAcBLA）和接收PVT投射的NAc神经元（NAcPVT）；发现他们是两群不同的细胞。进一步，研究人员利用光遗传学技术激活NAcBLA和NAcPVT神经元，发现它们分别介导奖赏和厌恶。通过神经示踪和膜片钳电生理记录，研究人员证明了NAcBLA神经元通过投射到VTA的GABA能神经元来解除对多巴胺神经元的抑制，从而促进多巴胺的释放介导奖赏效应；而NAcPVT神经元通过投射到外侧下丘脑（LH）的GABA能神经元介导厌恶过程。最后，失活NAcBLA神经元导致小鼠丧失了对美食的兴趣；而失活NAcPVT神经元则大大缓解了痛苦的阿片戒断症状。
　　
　　该研究提供了一种伏隔核（NAc）神经元编码奖赏和厌恶的环路新视角，回答了困扰领域多年的问题：为什么不同的谷氨酸输入在伏隔核介导相反的行为。本研究成果也有助于推动对奖赏与厌恶相关疾病防治的深入研究，例如，通过调控NAcPVT环路来治疗成瘾，调控NAcBLA环路来干预抑郁症等。
　　
　　深圳先进院朱英杰研究员为该论文的通讯作者，朱英杰课题组的副研究员周魁魁（目前为康复大学助理教授），助理研究员徐花和博士生卢珊珊为论文的共同第一作者，深圳先进院为论文第一单位；复旦大学脑科学研究院何苗研究员参与了本项研究工作。论文得到了Erwin Neher教授、孙坚原教授、毕国强教授和陈晓科教授等人的宝贵建议和帮助，并获得国家自然科学基金委、科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目、广东省脑连接图谱重点实验室、深港脑科学创新研究院和深圳市科创委等项目的资助。
　　NAcBLA神经元和NAcPVT神经元分别投射到不同的下游脑区
　　两条平行的NAc神经环路分别调控奖赏和厌恶
　　参考文献
　　[1] Liu, Z., et al., A distinct D1-MSN subpopulation down-regulates dopamine to promote negative emotional state. Cell Res, 2022. 32(2): p. 139-156.
　　[2] Klawonn, A.M. and R.C. Malenka, Nucleus Accumbens Modulation in Reward and Aversion. Cold Spring Harb Symp Quant Biol, 2018. 83: p. 119-129.
　　[3] Kupchik, Y.M. and P.W. Kalivas, The Direct and Indirect Pathways of the Nucleus Accumbens are not What You Think. Neuropsychopharmacology, 2017. 42(1): p. 369-370.
　　[4] Stuber, G.D., et al., Excitatory transmission from the amygdala to nucleus accumbens facilitates reward seeking. Nature, 2011. 475(7356): p. 377-80.
　　[5] Zhu, Y., et al., A thalamic input to the nucleus accumbens mediates opiate dependence. Nature, 2016. 530(7589): p. 219-22.

2022-10-24