《科学》(20190118出版)一周论文导读

2019 年 1 月 20 日 科学网

翻译 | 宗华


Science, 18 JANUARY 2019, Vol 363, Issue 6424

《科学》2019年1月18日,第6424期363卷



生命科学Life Science


An amygdalar neural ensemble that encodes the unpleasantness of pain

编码疼痛不悦感的杏仁核神经元集群

▲ 作者:Gregory Corder, Biafra Ahanonu, Benjamin F. Grewe, et al

▲ 链接:

http://science.sciencemag.org/content/363/6424/276


▲ 摘要:

疼痛是一种不愉快的经历。大脑的情感神经回路如何将这种令人厌恶的特性归因于伤害性信息仍然未知。


通过对自由表现的小鼠遇到伤害性刺激进行延时体内钙成像和神经活动操控,我们在编码疼痛负面情感效价的杏仁基底外侧核辨别出一个独特的神经元集群。


令这个刺激疼痛的集群静默缓解了疼痛的情绪—动机行为,但未改变对伤害性刺激、退避反射、焦虑或者奖励的探测。


在经历周围神经性损伤后,无害刺激激活了这个刺激疼痛的神经元集群,从而驱动了同神经性疼痛相关的功能失调的感知变化,包括触摸痛。


▲ Abstract

Pain is an unpleasant experience. How the brain’s affective neural circuits attribute this aversive quality to nociceptive information remains unknown. By means of time-lapse in vivo calcium imaging and neural activity manipulation in freely behaving mice encountering noxious stimuli, we identified a distinct neural ensemble in the basolateral amygdala that encodes the negative affective valence of pain. Silencing this nociceptive ensemble alleviated pain affective-motivational behaviors without altering the detection of noxious stimuli, withdrawal reflexes, anxiety, or reward. Following peripheral nerve injury, innocuous stimuli activated this nociceptive ensemble to drive dysfunctional perceptual changes associated with neuropathic pain, including pain aversion to light touch (allodynia).


Cerebellar modulation of the reward circuitry and social behavior

小脑对奖励回路和社交行为的调控

▲ 作者:Ilaria Carta, Christopher H. Chen, Amanda L. Schott, et al

▲ 链接:

http://science.sciencemag.org/content/363/6424/eaav0581


▲ 摘要:

小脑涉及到诸多精神障碍,包括自闭症、精神分裂症和成瘾。不过,其对这些疾病的贡献尚未得到很好的理解。


我们通过小鼠试验发现,小脑向蔡氏腹侧被盖区(VTA)发送直接的兴奋性投射。VTA是大脑处理并且编码奖励的区域之一。


我们的数据揭示了小脑在控制奖励回路和社交行为中发挥的一直被忽视的重要作用。


▲ Abstract

The cerebellum has been implicated in a number of nonmotor mental disorders such as autism spectrum disorder, schizophrenia, and addiction. However, its contribution to these disorders is not well understood. In mice, we found that the cerebellum sends direct excitatory projections to the ventral tegmental area (VTA), one of the brain regions that processes and encodes reward. Our data delineate a major, previously unappreciated role for the cerebellum in controlling the reward circuitry and social behavior.

 

Cortical column and whole-brain imaging with molecular contrast and nanoscale resolution

拥有分子对比和纳米尺度分辨率的皮层柱和全脑成像

▲ 作者:Ruixuan Gao, Shoh M. Asano, Srigokul Upadhyayula, et al

▲ 链接:

http://science.sciencemag.org/content/363/6424/eaau8302


▲ 摘要:

光学和电子显微镜在理解大脑复杂性方面取得了重要进展。


不过,光学显微镜在揭示亚细胞水平细节上存在分辨率不足的问题,而电子显微镜缺少在毫米尺度或者更大尺度上对特定分子构成进行可视化的“生产量”和分子对比。


我们将扩展显微镜同晶格光片显微镜结合,对小鼠大脑皮层或整个果蝇大脑厚度的蛋白质之间的纳米尺度空间关系进行了成像。


这些包括树突棘的突触蛋白质、沿着轴突的髓鞘形成以及每个苍蝇大脑区域中多巴胺能神经元的突触前密度。


▲ Abstract

Optical and electron microscopy have made tremendous inroads toward understanding the complexity of the brain. However, optical microscopy offers insufficient resolution to reveal subcellular details, and electron microscopy lacks the throughput and molecular contrast to visualize specific molecular constituents over millimeter-scale or larger dimensions. We combined expansion microscopy and lattice light-sheet microscopy to image the nanoscale spatial relationships between proteins across the thickness of the mouse cortex or the entire Drosophila brain. These included synaptic proteins at dendritic spines, myelination along axons, and presynaptic densities at dopaminergic neurons in every fly brain region.

 

生物学Biology


Structural adaptations of photo synthetic complex I enable ferredoxin-dependent electron transfer

光合作用复合体I的结构自适应使依赖于铁氧化还原蛋白的电子转移成为可能

▲ 作者:Jan M. Schuller, James A. Birrell, Hideaki Tanaka, et al

▲ 链接:

http://science.sciencemag.org/content/363/6424/257


▲ 摘要:

光合作用复合体I使光系统I的循环性电子流成为可能。这是一个针对光合能量转换的调控机制。


我们报告了来自蓝细菌的光合作用复合体I的3.3埃分辨率冷冻电镜结构。模型揭示了促使光合电子载体——铁氧化还原蛋白“捆绑”和电子转移的结构自适应。


利用体外隔离组件模拟循环性电子流,我们证实,铁氧化还原蛋白直接调停光系统I和复合体I之间的电子转移,而不是利用诸如NADPH(磷酸酰胺腺嘌呤二核苷酸的缩减版)等中间体。


▲ Abstract

Photosynthetic complex I enables cyclic electron flow around photosystem I, a regulatory mechanism for photo synthetic energy conversion. We report a 3.3-angstrom-resolution cryo–electron microscopy structure of photosynthetic complex I from the cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus. The model reveals structural adaptations that facilitate binding and electron transfer from the photosynthetic electron carrier ferredoxin. By mimicking cyclic electron flow with isolated components in vitro, we demonstrate that ferredoxin directly mediates electron transfer between photosystem I and complex I, instead of using intermediates such as NADPH (the reduced form of nicotinamide adenine dinucleotide phosphate).


Agriculturally dominated landscapes reduce bee phylogenetic diversity and pollination services

农业主导景观减少蜜蜂系统发育多样性和传粉服务

▲ 作者:Heather Grab, Michael G. Branstetter, Nolan Amon, et al

▲ 链接:

http://science.sciencemag.org/content/363/6424/282


▲ 摘要:

土地利用变化威胁到全球生物多样性,并且可能通过“偏爱”某些谱系重塑生命之树。系统发育多样性的丧失是否有损于生态系统服务仍然未知。


我们利用广泛的基因组、群落和农作物数据集分析土地利用、传粉者系统发育结构和作物生产之间的关系,弥补了这一知识缺口。


高度农业化景观中的传粉者群落少了2.3亿年的进化历史。这一损失同作物产量和质量减少存在强烈关联。我们的研究将自然群落系统发育结构中景观介导的变化同生态系统服务的扰乱关联起来。


▲ Abstract

Land-use change threatens global biodiversity and may reshape the tree of life by favoring some lineages over others. Whether phylogenetic diversity loss compromises ecosystem service delivery remains unknown. We address this knowledge gap using extensive genomic, community, and crop datasets to examine relationships among land use, pollinator phylogenetic structure, and crop production. Pollinator communities in highly agricultural landscapes contain 230 million fewer years of evolutionary history; this loss was strongly associated with reduced crop yield and quality. Our study links landscape–mediated changes in the phylogenetic structure of natural communities to the disruption of ecosystem services.


古地质学Paleogeology


Earth and Moon impact flux increased at the end of the Paleozoic

地球和月球撞击速率在古生代末期增加

▲ 作者:Sara Mazrouei, Rebecca R. Ghent, William F. Bottke, et al

▲ 链接:

http://science.sciencemag.org/content/363/6424/253


▲ 摘要:

地球撞击坑记录通常被认为存在偏差,因为侵蚀被认为会消除较老的坑,即便是在稳定的地形上。


考虑到相同的“射弹”群袭击地球和月球,地球选择效应可通过利用追溯直径大于10公里、年龄小于10亿年的月球撞击坑的时间得到量化。


我们发现,约2.9亿年前,撞击速率增加了2.6倍。地球撞击坑记录显示了类似结果,表明6.5亿~3亿年前的大型地球撞击坑记录的缺失源于较低的撞击次数,而非保存中的偏差。


早于6.5亿年前的地球撞击坑的几乎完全缺失或许表明了这一时间段附近大规模的全球尺度侵蚀事件。


▲ Abstract

The terrestrial impact crater record is commonly assumed to be biased, with erosion thought to eliminate older craters, even on stable terrains. Given that the same projectile population strikes Earth and the Moon, terrestrial selection effects can be quantified by using a method to date lunar craters with diameters greater than 10 kilometers and younger than 1 billion years. We found that the impact rate increased by a factor of 2.6 about 290 million years ago. The terrestrial crater record shows similar results, suggesting that the deficit of large terrestrial craters between 300million and 650 million years ago relative to more recent times stems from a lower impact flux, not preservation bias. The almost complete absence of terrestrial craters older than 650 million years may indicate a massive global-scale erosion event near that time.


化学Chemistry


Prediction of higher-selectivity catalysts by computer-driven workflow and machine learning

通过计算机驱动工作流程和机器学习预测较高选择性催化剂

▲ 作者:Andrew F. Zahrt, Jeremy J. Henle, Brennan T. Rose, et al

▲ 链接:

http://science.sciencemag.org/content/363/6424/eaau5631


▲ 摘要:

传统上,不对称反应发展中的催化剂设计受经验主义驱动。


其中,实验主义者试图定性识别结构模式以提高选择性。机器学习算法和化学信息学可通过识别大型数据集中否则将不可理解的模式,潜在地加速这一过程。


这里,我们报告了一个计算机引导的工作流程用于手性催化剂的选择。这是利用每个发展阶段的化学信息学来实现的。


▲ Abstract

Catalyst design in asymmetric reaction development has traditionally been driven by empiricism, wherein experimentalists attempt to qualitatively recognize structural patterns to improve selectivity. Machine learning algorithms and chemoinformatics can potentially accelerate this process by recognizing otherwise inscrutable patterns in large datasets. Herein we report a computationally guided workflow for chiral catalyst selection using chemoinformatics at every stage of development.

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