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貓主子難伺候？來點音樂試試

假如能像控制電子一樣控制光子，未來芯片將變成怎樣？

少吃點兒真能促進(jìn)長壽么？

地球形成的速度快得“超乎想象”？

癌細(xì)胞染色體異常未必是壞事

古怪的量子概率

慷慨or自私？神經(jīng)元舞蹈中找答案

撰文 | 董唯元、顧舒晨、劉航、洪俊賢、姜小滿、陳航、韓若冰

吐槽?| 戰(zhàn)斗倉鼠laq??

貓貓難伺候？你需要music！? ??

說起貓貓，那就是兩個字：害怕！

帶著不安分的貓貓去看獸醫(yī)可以說是又緊♂張又刺♂激。

下面是由美國路易斯安那州立大學(xué)研究團(tuán)隊為大家?guī)淼暮孟ⅲ?/p>

好消息，好消息！貓貓?zhí)ち嗽趺崔k？貓貓不想洗澡哥淡淡怎么辦？

為什么不給貓貓放音樂呢？

music?。?！

音樂有助于身心寧靜的觀念已經(jīng)深入人心。此前也有研究發(fā)現(xiàn)，全麻狀態(tài)的貓對音樂依然會有生理響應(yīng)，聽到古典音樂時也似乎更加放松安靜[2, 3]。在最新的這項研究中，科研團(tuán)隊考慮到貓與人類聽覺的差異，根據(jù)貓發(fā)出的有親和性的聲音，如呼嚕聲、吮吸聲，以及貓發(fā)聲音域的近似頻率，挑選了特定的“擼貓音樂”。

在實驗中，20只貓貓每隔兩周接受一次體檢，每次隨機(jī)播放“擼貓音樂”、古典音樂或無音樂，之后分別檢測貓的壓力指數(shù)、反應(yīng)得分和生理應(yīng)激等指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，“擼貓音樂”可以有效地減小寵物貓的壓力，使其鎮(zhèn)靜；相比之下，古典音樂和安靜環(huán)境則無此效果。

這一發(fā)現(xiàn)[4]表明，“特定”的音樂不僅有助于提高貓咪的幸福感，也可以幫助獸醫(yī)們安撫就診貓咪，從而做出更準(zhǔn)確的診斷。

愛貓的朋友們，你們心動了嗎？

那事不宜遲，讓我們在b站上搜索適合的貓貓+音樂吧！

[1] Hampton A, Ford A, Cox RE III, et al. Effects of music on behavior and physiological stress response of domestic cats in a veterinary clinic. J Feline Med Surg 2020; 22: 122-128. https://journals.sagepub.com/doi/full/10.1177/1098612X19828131

[2] Mira F, Costa A, Mendes E, et al. A pilot study exploring the effects of musical genres on the depth of general anaesthesia assessed by haemodynamic responses. J Feline Med Surg 2016; 18: 673-678.

[3] Mira F, Costa A, Mendes E, et al. Influence of music and its genres on respiratory rate and pupil diameter variations in cats under general anaesthesia: contribution to promoting patient safety. J Feline Med Surg 2016; 18: 150-159.

[4]?https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-02/s-tm022420.php

假如能像控制電子一樣控制光子，

未來芯片將變成怎樣？

計算科學(xué)的下一個紀(jì)元將依賴于科學(xué)家控制光子的能力。

我們現(xiàn)在能廣泛地使用電子計算機(jī)，是因為人們已經(jīng)掌握了精確控制電子的技術(shù)。為了發(fā)展量子計算機(jī)這樣的未來科技，科學(xué)家們也努力嘗試找到方法來控制光的基本粒子——光子。電子間的相互作用力簡單明了，光子卻不像電子那樣容易操控。

令人興奮的是，日前斯坦福大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個團(tuán)隊首次嘗試?yán)泌I磁力的方法來精確控制光子，并將研究成果發(fā)表在近期的《科學(xué)》雜志[1, 2]上。在短期內(nèi)，這種控制機(jī)制可以通過光纜傳輸更多的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。在更遠(yuǎn)的未來，這一發(fā)現(xiàn)將很有可能被用于制造基于光的芯片，其計算能力將遠(yuǎn)大于電子芯片。

那么研究人員是如何實現(xiàn)了對光子的操控呢？

實際上，他們欺騙了本質(zhì)上非磁性的光子，使其表現(xiàn)出了類似帶電電子的行為，通過將光子送進(jìn)精心設(shè)計的儀器迷宮，從而使光子被所謂的“合成”或“人工”磁場所影響。儀器能以可預(yù)測的方式產(chǎn)生磁力，推動光子運(yùn)動。通過引入合成頻率維度上相互作用的哈密頓量，進(jìn)而實現(xiàn)量子模擬和量子信息處理。

芯片存儲信息主要牽涉到控制粒子的可變狀態(tài)。

對于電子芯片，我們通過打開和關(guān)閉芯片中的電子，以創(chuàng)建數(shù)字“0”和“1”來實現(xiàn)存儲。

對于基于光的芯片，我們可以使用磁力來控制光子的頻率（或能級）和自旋等，以產(chǎn)生比簡單的開關(guān)電子更多的可變狀態(tài)。與電子芯片相比，這些可能的可變狀態(tài)將使科學(xué)家能夠在基于光子的設(shè)備上處理、存儲和傳輸更多的數(shù)據(jù)。

[1]? https://engineering.stanford.edu/magazine/article/what-if-we-could-teach-photons-behave-electrons

[2]? Dutt A, Lin Q, Yuan L, et al. A single photonic cavity with two independent physical synthetic dimensions[J]. Science, 2020, 367(6473): 59-64.

少吃點兒真能促進(jìn)長壽么？

不要吃太胖噢，會被殺掉的！

不吃太胖就真的可以延年益壽活下去嗎？

實際上，節(jié)食和壽命，這是一個爭議多年的科學(xué)問題。

以往的研究認(rèn)為，在不造成營養(yǎng)不良的情況下限制飲食可以促進(jìn)長壽基因的表達(dá)、延緩衰老及相關(guān)疾病的發(fā)生。目前的進(jìn)化理論認(rèn)為，人或動物在食物供應(yīng)不足時會改變生存策略，促進(jìn)機(jī)體修復(fù)，調(diào)整機(jī)體狀態(tài)，等待將來食物供應(yīng)豐富時更好地吸收利用。

總之一句話，節(jié)食活得好！

然而，近日一項新的研究成果[1, 2]對該理論發(fā)起了挑戰(zhàn)。

來自英國謝菲爾德大學(xué)和布朗大學(xué)的科學(xué)家通過果蠅實驗發(fā)現(xiàn)，先節(jié)食、后吃的飽飽的果蠅與一直吃的飽飽的果蠅相比，更加容易死亡，且產(chǎn)卵數(shù)量也更少。

節(jié)食后的果蠅機(jī)體并沒有調(diào)整至更加健康的狀態(tài)，而是在限制飲食的狀態(tài)下趨于死亡。

嗯，餓就會餓死，這似乎也沒有毛病（思考）

由此，科學(xué)家結(jié)合以前節(jié)食幫助小鼠增長壽命的實驗推測，與其說限制飲食促進(jìn)了機(jī)體修復(fù)，促進(jìn)了長壽，倒不如說它只是避免了過量飲食對機(jī)體造成的傷害。該研究還表明，在某些情況下反復(fù)或突然地改變飲食也不利于健康。

嗯，雖然節(jié)食不一定幫助壽命。

但是，

吃太胖是會被殺掉的啊！這沒毛??！

[1] Andrew W. McCracken, Gracie Adams, Laura Hartshorne, Marc Tatar and Mirre J. P. Simons. The hidden costs of dietary restriction: Implications for its evolutionary and mechanistic origins. Science Advances.21 Feb 2020:Vol. 6, no. 8, eaay3047

[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-02/uos-nrc022020.php

地球形成的速度快得“超乎想象”？

人類探尋地球起源和演化之謎的腳步從未停歇過。

18世紀(jì)的天才科學(xué)家康德和拉普拉斯提出了地球形成的熱星云說，這一學(xué)說統(tǒng)治著地學(xué)界二百年而不衰。

20世紀(jì)六七十年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家Safronov破除前見，提出了地球起源的星子假說，經(jīng)過后世科學(xué)家的不斷完善，現(xiàn)已形成一套被學(xué)術(shù)界普遍接受的星子隨機(jī)碰撞吸積理論，即冷星云說[1]。

冷星云說認(rèn)為，地球主要由一套具有獨立化學(xué)成分組成的硅酸鹽質(zhì)星子群隨機(jī)碰撞吸積而成。然而，最近發(fā)表在《科學(xué)-進(jìn)展》（Science Advances）雜志的文章[2]對這一學(xué)說提出質(zhì)疑。

文章的作者，是哥本哈根大學(xué)地球研究所恒星和行星形成中心的Martin Schiller博士實驗組。他們憑借迄今為止科學(xué)界最精準(zhǔn)的鐵同位素測量手段，對不同隕石中金屬元素的同位素混合物進(jìn)行了測量。

然后發(fā)現(xiàn)：在眾多隕石中，只有一種組成與地球的組成成分相似——那就是CI球粒隕石。

Schiller認(rèn)為，如果地球的主要形成階段真是一個隨機(jī)碰撞吸積的過程，好比你將物體打碎并混合在一起，那么你會得到所有東西的混合物，而不是僅僅只有一種被稱為CI球粒隕石的物質(zhì)與地球成份相似。

基于此，Schiller對地球形成的時間進(jìn)行進(jìn)一步的大膽預(yù)測。他認(rèn)為，地球的形成過程要比由空間中物體間的隨機(jī)碰撞吸積的形成過程快得多。傳統(tǒng)觀點所認(rèn)為的地球形成時間，即隨機(jī)碰撞吸積過程往往持續(xù)數(shù)千萬年， 而Schiller則認(rèn)為，在大約500萬年的盤狀生命周期中，地球就已經(jīng)通過吸積這些富含揮發(fā)性的類CI物質(zhì)快速形成。

Schiller表示[3]，如果將太陽系存在的約46億年的時間類比為一天的24小時，那么傳統(tǒng)理論認(rèn)為地球形成的時間大約相當(dāng)于5-15分鐘，而新的結(jié)果表明這一過程需要的時間只相當(dāng)于90秒。

[1] 歐陽自遠(yuǎn)，《天體化學(xué):地球起源與演化的幾個關(guān)鍵問題》。

[2] Schiller, Martin, Martin Bizzarro, and Julien Siebert. "Iron isotope evidence for very rapid accretion and differentiation of the proto-Earth." Science Advances 6.7 (2020): eaay7604.

[3]https://healthsciences.ku.dk/newsfaculty-news/2020/02/the-earth-formed-much-faster-than-previously-thought/

癌細(xì)胞染色體異常未必是壞事

癌細(xì)胞就像被“混沌”侵蝕了一樣。

大量的DNA突變，并且大多存在染色體數(shù)目異常。

一些晚期腫瘤甚至?xí)霈F(xiàn)含有100多條染色體的細(xì)胞，而正常體細(xì)胞中僅有46條染色體。

而缺失的或額外的單條染色體會造成一種稱為非整倍性（aneuploidy）的異常。

以往的研究表明，多多的染色體異常與癌癥的侵襲性和患者預(yù)后不良有關(guān)。然而，美國冷泉港實驗室的研究人員發(fā)表在《發(fā)育細(xì)胞》雜志上的新研究[1]稱，并不是所有的非整倍性都能促進(jìn)癌癥進(jìn)展，某些非整倍性反而抑制了癌癥的轉(zhuǎn)移能力。

缺少或者增加染色體，讓我變得更強(qiáng)了？！??！

研究人員對一組人類細(xì)胞做出了改造，使每個細(xì)胞都含有一條不同染色體的額外拷貝，并保證細(xì)胞在其他各方面相同。

由于高度侵襲性的癌細(xì)胞往往是非整倍體，因此研究人員預(yù)計，所有或大多數(shù)非整倍體都會有助于癌癥的轉(zhuǎn)移行為。

然而實驗室的測試結(jié)果令人驚訝，非整倍性和癌癥的轉(zhuǎn)移性表現(xiàn)出了更復(fù)雜的關(guān)系，不同的染色體會產(chǎn)生各種不同的影響——某些額外的染色體對癌癥轉(zhuǎn)移沒有影響，而另一些實際上抑制了轉(zhuǎn)移。

研究小組對患者臨床數(shù)據(jù)的分析也顯示出類似的情況。

[1]?https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-02/cshl-eci022120.php

慷慨or自私？神經(jīng)元舞蹈中找答案

不如跳舞！什么都不如跳舞，神經(jīng)元也在跳舞！

路過乞討者時，為什么有人慷慨解囊，有人冷漠走過？

慷慨和自私的生物學(xué)起源長期令神經(jīng)科學(xué)家著迷。作為群居動物，靈長類依賴于合作；然而在資源匱乏或追求地位時，自私往往會勝出。

美國耶魯大學(xué)的研究者2月24日發(fā)表于《自然神經(jīng)科學(xué)》雜志的一項新研究[1, 2]發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象的答案可能藏在大腦兩個特定區(qū)域之間復(fù)雜而有節(jié)奏的神經(jīng)元舞蹈（neuronal dance）中。

影像學(xué)研究顯示，大腦中許多區(qū)域都與做出分享決定相關(guān)。耶魯大學(xué)心理學(xué)和神經(jīng)科學(xué)助理教授、論文的第一作者 Steve Chang和他的同事設(shè)定了不同場景，讓猴子決定是否與其同伴分享果汁，并主要觀察猴子大腦中杏仁核（大腦的一個相對原始的區(qū)域）與內(nèi)側(cè)額葉皮層（該區(qū)域負(fù)責(zé)產(chǎn)生更深思熟慮的想法）之間的神經(jīng)元活動。

在一個場景中，猴子要決定把果汁分享給同伴或是扔掉。在另一個場景中，猴子可以選擇獨自喝果汁或和同伴一起分享。結(jié)果猴子們更偏向于獨自喝果汁。

但是，如果第二個場景是看著果汁被扔垃圾桶，猴子們就更愿意把果汁分享給同伴。

兩種情況下，研究人員都發(fā)現(xiàn)了大腦兩個區(qū)域之間的神經(jīng)元活動相互作用的不同模式。當(dāng)猴子表現(xiàn)得慷慨或親社會時，兩個腦區(qū)之間的相互作用高度同步；當(dāng)它們表現(xiàn)得反社會時，這種同步率明顯降低了。研究者們發(fā)現(xiàn)，可以通過這種同步率的差別來預(yù)測猴子們的決定，只需要查看神經(jīng)元數(shù)據(jù)即可。

該研究還發(fā)現(xiàn)了大腦在決策過程中的其他分化特征。比如，當(dāng)動物做出親社會或反社會決定時，神經(jīng)元相互作用的傳輸頻率不同，頻率大小由神經(jīng)元觸發(fā)的大腦區(qū)域決定。

“我們發(fā)現(xiàn)了一種神經(jīng)同步率的獨特特征，它能反映大腦做出了親社會還是反社會的決定，”Chang說?！拔覀兌贾揽犊潭却嬖趥€體差異，也許吝嗇鬼就是沒有很高的同步率。”

[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-02/yu-wmc021920.php

[2] Dal Monte, O., Chu, C.C.J., Fagan, N.A. et al. Specialized medial prefrontal–amygdala coordination in other-regarding decision preference. Nat Neurosci (2020).?https://doi.org/10.1038/s41593-020-0593-y

古怪的量子概率

古人有言：遇事不決，量子力學(xué)。

量子世界由概率統(tǒng)治，這一點已為人所熟知。然而與我們?nèi)粘ｓw驗的一般隨機(jī)概率規(guī)律相比，量子世界的全同性和非定域關(guān)聯(lián)關(guān)系使得其概率分布規(guī)律更為奇特。比如在統(tǒng)計中最常使用的正態(tài)分布，在量子世界中就經(jīng)常遭遇各種陷阱。

舉個簡單的例子來體會一下全同性帶來的影響：隨機(jī)向兩個碗中扔三個乒乓球，常識告訴我們，出現(xiàn)一個空碗的概率只有25%；然而若將乒乓球換成光子或者其他波色子，出現(xiàn)空碗的概率就會變成50%！

至于疊加態(tài)和量子糾纏造成的非定域關(guān)聯(lián)對概率分布造成的影響就更為奇特。這那里，就連我們最經(jīng)常使用的乘法原則，P(A, B)=P(A)P(B)，都無法愉快地使用了。

這也正是著名的貝爾不等式，以及與其等效的CHSH不等式在量子世界中不再成立的根本原因。

在量子計算和量子通訊蓬勃發(fā)展的當(dāng)下，這些特殊的概率屬性正變得越來越重要。如果多個量子間存在糾纏關(guān)聯(lián)，那么系統(tǒng)的隨機(jī)統(tǒng)計將體現(xiàn)“非高斯性”（Non-Gaussianity）；如果發(fā)生退相干或糾纏關(guān)系被破壞，則非高斯性就會減弱甚至徹底丟失?？梢?，非高斯性是量子計算和量子通訊系統(tǒng)的重要健康指標(biāo)之一。

可是，定性容易定量難。如果同一系統(tǒng)，一會兒遵循高斯鐘形曲線，一會兒又不遵循，該如何簡便快速地甄別呢？尤其麻煩的是，有些貌似“非高斯”的曲線，其實是由多條高斯鐘形曲線錯落疊加而成，如果不謹(jǐn)慎充分地進(jìn)行分析，很難將這些偽健康與真正的健康快速區(qū)隔。

這一困擾著諸多研究機(jī)構(gòu)和國際知名企業(yè)的技術(shù)問題，最近竟然被一個名不見經(jīng)傳的國內(nèi)研究團(tuán)隊成功破解。2020年1月底，《歐洲物理期刊D》發(fā)表了一篇論文[1]，題目為“A method for efficiently estimating non-Gaussianity of continuous-variable quantum states”（高效評估連續(xù)值量子態(tài)非高斯性的方法），作者是來自中國湖南懷化學(xué)院的一個研究小組。

別看這個樸素的研究小組至今仍使用著163.com后綴的郵箱，論文中也沒有志得意滿地為自己的方法命名，但是他們所提出的方法卻確實展現(xiàn)了非常優(yōu)秀的特點。不僅兼容性非常廣，幾乎對所有非高斯性的子類都有效，而且計算復(fù)雜度和便捷度方面也明顯優(yōu)于目前的所有其他方法。

[1] Xiang S H, Zhao Y J, Xiang C, et al. A method for efficiently estimating non-Gaussianity of?continuous-variable quantum states[J]. The European Physical Journal D, 2020, 74(1): 16.