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合肥大科学中心,中沙联合发掘神秘消失的红海
分类:生命科技

中沙联合发掘神秘消失的红海古港
科学家揭示纹状体脑区在运动学习过程中的神经机制
合肥大科学中心:光耀“科学城”

新华社利雅得5月10日电 特稿:寻找流沙下的丝路要津——中沙联合发掘神秘消失的红海古港

5月9日,中国科学院神经科学研究所、脑科学与智能技术卓越创新中心、神经科学国家重点实验室蒲慕明院士研究组在《美国科学院院刊》在线发表了题为《运动学习中背外侧纹状体直接通路和间接通路神经元稳定、独特的顺序性电活动的涌现》。该工作系统描述了背外侧纹状体直接通路和间接通路的同一群神经元在运动学习过程中的电活动变化,并且揭示了神经元集群的电活动如何经过学习依赖的时序重构最终形成独特、稳定的顺序性发放模式,同时发现两条通路的神经元活动在运动行为中具有相对独立又彼此配合的角色分工。

图片 1本版图片均由中科院合肥大科学中心提供

新华社记者涂一帆

运动技能的学习和掌握对于个体的生存至关重要。背外侧纹状体脑区主要接收来自感觉运动皮层四肢代表区的投射,在正常运动功能的执行、运动技能的学习以及习惯形成中具有重要的作用。已知该脑区主要分布着由多巴胺1型和2型受体分别标记的多棘投射神经元,分别介导了基底神经节运动调控中的两条经典通路,直接通路和间接通路。传统的拮抗模型认为直接通路促进运动,间接通路抑制运动。不同于拮抗模型中简单的“推-拉”式作用,协同模型认为,直接通路会促进期望运动的产生,间接通路会抑制那些与目的无关的竞争性运动。

■本报记者 陈欢欢 张楠

水底下,曾经是港湾与航道;流沙下,曾经是古代季节性河流;荒漠中,分布着大片建筑遗址和大型墓地。

纹状体神经元在运动技能学习过程扮演一个重要的角色,在运动皮层选择控制运动行为的电活动模式时,起一个闸门式的调节作用。迄今,关于直接通路和间接通路神经元在运动学习过程的参与机制仍存有争议。

合肥董铺岛,因岛上集中了中国科学院几家研究所而得名“科学岛”。不仅如此,这个不大的半岛还在全国科技创新领域占有一席之地——岛上拥有两个国家重大科技基础设施。2018年12月14日,第三个科学装置——聚变堆主机关键系统综合研究设施也正式开启园区建设。

红海边的一片沙漠里,有一处港口遗址——沙特阿拉伯的塞林港。历史上,它曾是海上丝绸之路经行的繁华贸易港,后因故废弃,终被厚厚流沙覆盖。

据介绍,研究人员在这项研究中重点关注三个问题:第一,运动学习将会如何影响背外侧纹状体神经元的活动?第二,运动学习产生的影响在背外侧纹状体的直接通路和间接通路神经元活动中是否有差异?最后,若两条通路神经元活动变化不同,是否能够揭示通路特异性的功能差异?

看着眼前热火朝天的建设场景,中国科学院合肥物质科学研究院(以下简称合肥研究院)院长匡光力不禁感叹,4年前与合肥研究院党委书记王英俭、时任中国科学技术大学校长侯建国共同商议建设一座“国际一流综合性科学研究中心”的情景还历历在目。

2018年起,中国和沙特考古人员共同努力,田野考古、水下考古、遥感考古多管齐下,逐渐揭开了塞林港的历史面纱,唤醒了一段湮没的丝路记忆与历史佳话,也为中沙、中阿文明交流续写亮丽篇章。

要解决上述问题,必须在活体动物中同时记录同一批神经元在学习过程中的电活动变化。纹状体处于大脑深部,这首先是一个技术上的难题。盛孟君、卢迪两位博士研究生在他们的研究中,首次解决了这一难题,实现了对大脑深部神经元集群电活动的长期稳定记录。

曾经,这是一副令人魂牵梦萦的场景:大科学装置吸引了全球成千上万名科学家汇聚于此,并激荡释放出源源不断的思想和智慧火花……由此,合肥或将成为媲美美国湾区、日本筑波的著名科学城。

揭开古港的神秘面纱

据悉,研究人员训练小鼠学习一项声音提示下的推杆运动任务,并在此训练过程中使用在体双光子成像技术,长时程追踪背外侧纹状体同一群神经元的电活动。通过特异性标记直接通路和间接通路的神经元,研究者们观察到伴随着小鼠的学习过程,两条通路的神经元集群都逐渐产生了独特的、稳定的、顺序性发放的电活动模式,直接通路神经元倾向于在信号感知和推杆操作时活动,而间接通路神经元则更多地在推杆动作之后反应,并且在不同的运动任务场景中同一群神经元的电活动模式会发生改变。进一步的化学抑制实验结果表明,特异性抑制直接通路神经元会破坏推杆运动的起始,而特异性抑制间接通路神经元会引起试验间隔里的错误推杆次数显著上升。任一通路的抑制均会降低推杆动作本身的熟练程度。

2014年11月,随着中国科学院合肥大科学中心(以下简称合肥大科学中心)的诞生,众多科学人的梦想正在变为现实。

塞林港位于阿拉伯半岛西南角。历史上,它是红海“三大港”之一,与通往麦加的吉达港、通往麦地那的吉尔港齐名。但三大港中,唯有塞林港神秘衰落,渐成废墟。

这些实验结果表明,直接通路和间接通路的神经元都参与到小鼠执行向右推杆任务的过程当中,在任务规则的贯彻上,前者主要负责目标运动的起始,后者主要负责与任务目的无关的运动的抑制;在具体动作的执行上,二者都参与了对推杆动作准确度的调控。两条通路彼此配合,共同保证小鼠可以高效、准确地执行学会的运动任务。

梦想走进现实

阿拉伯文献记载,公元9世纪至13世纪是塞林港最为繁荣的时期,经海路而来的朝圣者和商人在此登陆,前往麦加。有古代旅行家记载,曾在此目睹清真寺、居民建筑、集市等景观。

专家表示,这一研究为基底神经节直接通路和间接通路的架构和功能提供了新的认识,为揭示运动学习的环路原理提供了重要数据。该研究为基底神经节相关的运动障碍疾病的机制研究和治疗提供了新线索。

“合肥这么多大科学装置,有条件建成一个世界级的大科学中心,你牵头去做一些前期调研吧。”中国科学技术大学国家同步辐射实验室主任陆亚林清楚地记得,2014年2月春节假期之后,时任校长侯建国找到他,描述了一个“科学城”的宏图,在他心中第一次种下了合肥大科学中心的种子。

公元15世纪,郑和第七次下西洋期间,随行翻译马欢等人曾从红海登岸并前往麦加。马欢所著的《瀛涯胜览》对红海沿岸风土人情多有记载,并提到所携物品中有“磁器”。

据悉,蒲慕明组的博士研究生盛孟君、卢迪为该研究论文的共同第一作者,在蒲慕明研究员的指导下完成,研究组的其他同事也在研究中发挥了作用。该课题受到中国科技部的973项目,中国科学院战略性先导科技专项和上海市重大科技专项等项目的资助。

大科学装置是指通过较大规模投入和工程建设来完成,建成后通过长期的稳定运行和持续的科学技术活动,以实现重要科学技术目标的大型设施,是国家创新体系中最核心的基础力量。20世纪中叶以来,几乎所有关于物质结构研究的重大成果都和大科学装置有着关联。彼时,全国拥有二三十个大科学装置,分散在各单位,相互之间并未形成合力,且面临着人才队伍流失的窘境。

不同民族记录下的历史碎片,似乎在还原人类文明史中同一段精彩时刻。

而在全国的大科学装置中,要数落在中国科学院的最多。恰逢2014年8月,中科院启动实施“率先行动”计划,其中就包括整合院内外各类资源,依托已建成运行、在建和规划建设的一批国家重大科技基础设施,形成大科学装置群,建设高效率开放共享、高水平国际合作、高质量创新服务的大科学研究中心,集聚国内外科研院所、大学、企业,开展跨学科、跨领域、跨部门协同创新。

2016年,中沙签署《中国-沙特塞林港考古合作协议书》,决定联合展开塞林港遗址考古。中方考古队2018年开始在塞林港遗址展开考古调查与发掘。

合肥有三个大科学装置。合肥研究院建设有全超导托卡马克核聚变实验装置、稳态强磁场实验装置,中国科大建设有同步辐射。难得的是,两家同属中国科学院,作为兄弟单位,一直有良好的合作,联合共建一个“国际一流综合性科学研究中心”的想法更是一拍即合。

这一次的联合考古,确认了塞林港遗址为古代重要的朝圣贸易港,面积超过100万平方米。发掘过程中,考古人员发现了宋元至明清时期的中国外销瓷器残片,再次证明历史上中国与红海地区的密切贸易交往。中方考古人员还通过拓印的纪年碑铭准确推断出遗址年代。

“合肥研究院大装置多,运行维护的力量更集中,偏重满足国家战略需求,大学更侧重前沿探索、人才培养,双方合作是非常好的互补。”合肥研究院院长匡光力表示。

神秘消失的塞林港,正在考古人员的历史复原中一点点重现。

随即,陆亚林等人投入紧张的前期筹备工作。他牵头申请了一个软课题,走访了美国伯克利的先进光源ALS、英国纽卡斯尔科学城等世界著名科学中心。

新技术携手老手艺

这一调研不要紧,一个前所未有的公共大型科技创新平台的轮廓在众人心中逐渐清晰起来。

2018年底,中沙联合考古队开启对塞林港遗址的第二次发掘工作。中方考古队向沙方提交了首次发掘的资料档案和拓制的40余方碑铭拓片。中方领队姜波告诉记者,第二次发掘工作旨在进一步探明塞林港作为朝圣贸易港的历史内涵和地理信息,并对二号墓葬区进行重点清理测绘。此外,中沙双方调集7名水下考古队员,在塞林港周边开展水下考古调查,了解海港古航道信息,并搜寻沉船等水下遗迹。

“我们发现,西方发达国家强大的科技竞争力很大程度上是通过高水平大型科研基地体现的,而这些大型基地都拥有先进的大科学装置甚至大科学装置群作为支撑,不仅有完整的科研能力,更形成巨大的人才汇聚能力。相比而言,我国还缺少能与西方发达国家匹敌的科研‘航母’。”陆亚林告诉《中国科学报》。

为期近一个月的第二次考古发掘取得重要成果。姜波介绍,陆地考古发现了大型建筑遗址,其中一座可能为清真寺,并发现排列有序的珊瑚石墓群;水下考古发现并确认了泊船的海港和出入港湾的航道;利用无人机的遥感考古发现并确认了被流沙掩盖的古代季节性河流,这一淡水资源解答了塞林港选址于此的重要缘由。

随后,双方迅速组织了一个方案研究小组,以尽快形成向中科院党组报告的材料。那段时间,参与筹建的这些人各处调研、沟通细节,最频繁的时候,一礼拜往北京跑了3个来回。反复的调研、沟通和讨论,不到一年时间里,他们对大科学中心的规划方案修改了上百回,目标直指国际一流综合科学研究中心。

从这片遗址中,考古队员清理出铜砝码、青金石、串珠、玛瑙、象牙制品、钱币等,同时还发现了阿拉伯石器、波斯釉陶和来自中国的瓷器,包括宋元时期的龙泉青瓷、景德镇青白瓷以及明清时期的青花瓷。这些产地各异的精美文物生动展示了塞林港作为古代国际贸易港的历史画卷,为海上丝绸之路研究提供了珍贵的实物资料。

如今回头看来,他们的努力是值得的,这些资料和成果在合肥申请综合性国家科学中心时发挥了重要作用。

值得一提的是,本次考古工作将传统的田野考古方法与无人机航拍、遥感考古、环境考古、数字测绘与3D技术相结合,大幅拓宽了考古学研究的视野。

紧张的筹备工作一直持续到向中科院党组汇报之前。合肥研究院党委书记王英俭记得,他和侯建国直到汇报会开始前,还凑在一起修改PPT。最终,侯建国到北京向中科院党组汇报了合肥大科学中心的建设方案。汇报结束后,中科院院长白春礼等几位院领导又就筹建方案讨论了许久。

“常规手段结合科技新方法,为全方位研究塞林港人文历史与地理信息提供重要途径。通过拉网式调查、无人机航拍、遥感考古与数字测绘工作,联合考古队在塞林港发现了成片分布的大型建筑遗址和两处排列有序的大型墓地,以及疑似海滨货场的遗迹,生动展现了一处古代繁华海港的历史景观。”姜波说。

最终,2014年11月,中科院合肥大科学中心正式成立。中心依托合肥研究院管理,中国科大校长为主任,合肥研究院院长为常务副主任,拥有同步辐射光源、全超导托卡马克和稳态强磁场三大科学装置。

有意思的是,中国传统碑拓技艺在此次考古中大放异彩。中方队员制作的碑文拓片,使得因风沙侵蚀而漫漶不清的碑文变得清晰可读,让沙方学者惊叹不已。沙特考古学家已经开始学习中国拓片技艺,并拟在沙特推广。

“这样的设置体现了以科学为牵引、为科学家服务的宗旨,希望结合两个单位的优势,创新体制机制,促进科学技术的新突破。”合肥大科学中心筹备组成员、中国科大副校长朱长飞认为。

文化交流大有可为

“合肥大科学中心是中国科大和合肥研究院共同努力的结果,但我们还有更深远的计划,就是在此基础上,建设国家级的综合科学中心,最终要建国际一流的科学中心。”王英俭对《中国科学报》表示。

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