解读2008年世界科研热点（下）

　　新一期美国《科学》杂志预测，欧洲大型强子对撞机、微RNA、人造微生物、古基因组学、多铁性材料、人类微生物组、大脑神经回路7个项目或领域是2008年值得关注的科研热点。《共享科学》栏目邀请相关专家对以上7个热点给予点评，让读者和我们一起提前领略2008重大科研领域的精彩，并希望这些科研领域能尽快取得重大突破，给人们带来一个又一个惊喜。  



        热点五：新材料欲造新型电脑芯片  



　　多铁性材料是一类与氧化物陶瓷超导材料相似的化合物，它能在单一材料上展示电子、磁性和结构的多重特性。物理学家最近成功实现了利用电场操纵磁性材料内部被称为磁畴的小区域，目前正在努力对此进行改进，并计划利用多铁性材料制造新型计算机芯片。这种芯片将能把目前利用半导体材料实现的逻辑运算和由磁性材料实现的存储功能结合起来。  



　　●点评：  



　　南策文（清华大学材料科学与工程系教授）  



　　器件小型化的发展趋势使人们对集成电性与磁性于一身的多功能材料的研究兴趣日益增加，这样，一个单独器件可以执行多于一种的任务。多铁性材料不但使铁电、铁磁等多种特性可以共存，更重要的是由于电性与磁性相互耦合作用而产生附加功能，例如耦合导致的磁电效应（电场引起的磁极化，或磁场引起的电极化）能够产生全新的器件———电场控制的磁数据存储。应用多铁性磁电材料作为存储介质，可利用电场实现信息写入过程，利用磁头实现读出过程，两者结合将使得目前的存储器件速度再提高一个数量级以上。  



　　多铁性材料可分为单相多铁性化合物和复合磁电材料。目前，多铁性磁电化合物要么居里温度很低，要么磁电效应很微弱，因而，还远远不能满足实际应用。相对而言，尽管在多铁性复合材料中磁电耦合是非本征行为，但已在多种磁电复合材料中观察到了室温巨磁电效应，这使得基于这种磁电复合材料的可实际应用的新一代高灵敏磁场探测器件等能够出现。  



　　多铁性材料为发展基于铁电—磁性集成效应的新型信息存储处理以及磁电器件等提供了巨大潜在应用前景，近来已成为国际上一个新的研究领域，美国《科学》杂志在2007年底预测多铁性材料是2008年值得关注的7大研究热点领域之一。在素有材料研究领域“风向标”之称的美国材料研究学会(MRS)系列会议中，自2005年MRS秋季会议以来，已连续3年在会议中列入了多铁性材料主题。国内在2007年7月召开了“多铁性材料的发展与挑战”(第306次)香山科学会议。目前，美国、欧洲各国、日本以及韩国等发达国家纷纷投入大量精力开展有关多铁性材料的研究。我国清华大学、南京大学等单位也很早就介入了该领域的研究工作，其中清华大学在复合磁电材料方面的研究尤其受到国际同行的重视与好评，已产生了重要的国际影响。近年来，中科院物理研究所、中国科技大学、浙江大学、山东大学、中科院上海硅酸盐研究所、北京科技大学、上海大学、同济大学、香港理工、香港科大、香港城大等多家单位也先后投入该领域研究，取得了可喜进展。  



　　热点六：绘制人体不同微生物基因图谱  



　　所谓人类微生物组是指人体内正常微生物基因组的集合。美国国家卫生研究院和欧盟等都计划在2008年开展有关的研究项目。科学家有望绘出人体内约200种微生物的基因组，并开始着手对人内脏、皮肤、口腔和生殖道内的微生物群落展开广泛调查。与此同时，研究人员还正在对分布在冰山等环境中的微生物进行基因组测序。  



　　●点评：  



　　朱宝利（中科院微生物研究所研究员）  



　　2007年底美国《科学》杂志刊登了本年度10项重大科技突破的同时也发表了2008年重大科学研究关注热点，其中涉及到人类微生物组，并预测在未来一年中全球范围内的许多重要的实验室将进一步研究人体内微生物菌群与人体的相互作用关系。与此同时，美国国立卫生研究院（NIH）宣布将投入1亿1500万美元正式启动酝酿了两年之久的“人类微生物组计划”。  



　　人类微生物组计划是人类基因组计划的延伸，它研究的重点是通过元基因组学的方法研究人体内（表）的微生物菌群结构变化与人体健康的关系。人类基因组计划在2003年完成以后，许多科学家已经认识到解密人类基因组基因并不能使我们完全掌握人类疾病与健康的关键问题，因为我们对自身体内存在的巨大数量的，与人体共生的微生物菌群几乎一无所知。人体内微生物细胞的数量是人体内细胞数量的10倍，初步的研究显示其所含基因数目的总和是人类基因组所含基因数目总和的100倍。但是，由于传统微生物学研究方法的局限，我们对生活在自己体内的95%%以上的微生物没有任何研究数据。  



　　目前由美国主导的，有多个欧盟国家及日本和中国等十几个国家参加的人类微生物组计划将使用新一代DNA测序仪进行人类微生物组DNA的测序工作，是人类基因组计划完成之后的一项规模更大的DNA测序计划，目标是通过绘制人体不同器官中微生物元基因组图谱，解析微生物菌群结构变化对人类健康的影响。  



　　中国做为此项计划的参与者一直积极推动此项计划的初期研究工作，其中包括由中国科学院上海生命科学研究院和上海交通大学主导的，2007年初启动的中国—法国人体肠道元基因组科研合作计划。参与这项研究工作的主要单位有上海生命科学研究院、上海交通大学、中科院北京基因组所、中科院微生物研究所和浙江大学。目前，人体微生物组的研究工作在我国还处在起步阶段。  



　　热点七：揭示神经回路工作原理  



　　借助一些新方法，科学家有望开始了解大脑神经细胞回路是如何处理信息和调控行为的。科学家最近已通过染色标记的方法绘出实验鼠的神经连接，其他科学家也在研究利用激光控制啮齿动物大脑中单个神经细胞的电活动。与此同时，一种名为弥散张量成像的磁共振新技术，也为科学家提供了人类大脑不同区域之间如何连接的新细节。这些技术不仅将帮助科学家深入了解神经回路是如何工作的，也有助于科学家研究在一些大脑疾病中神经回路是如何失效的。  



　　●点评：  



　　万有（北京大学基础医学院神经生物学系教授）  



　　研究大脑内神经回路的意义在于了解我们的脑是如何工作的。科学家们已经从解剖和组织学的层面上，了解了神经系统是由哪些核团组成的，换言之，科学家们能够说出脑的结构。科学家们现在已经知道了组成大脑的“硬件”（核团），但是，对这些结构如何完成和实现大脑的功能知之甚少。《科学》杂志所说的“大脑神经回路”研究，意指大脑在执行各种功能时，如完成感觉、运动、思维、语言、认知等功能时，脑内不同的核团之间如何进行信息交流。这些信息是脑执行各种功能时的“软件”，这些信息的加工与处理，构成了大脑功能的重要内容。  



　　研究大脑内神经回路，研究手段异常重要，因为要研究大脑的信息处理，研究的必须是正在执行功能的“活”脑，而不是解剖标本上的“死”脑。《科学》杂志的预测中，提到了在活体上进行脑功能研究的两个典型代表技术：活体染色标记技术，它可以在活体上标记核团之间的纤维联系；功能磁共振技术，可以显示在某一功能活动中被激活的脑区，弥散张量成像是磁共振技术的进一步发展，可以显示活动的脑区之间即时起功能作用的纤维联系。除此之外，已经比较成熟的脑电技术，可以观察不同脑区之间联系的实时动态变化。  



　　上述的脑成像技术、脑电技术在国内已经得到应用，但尚未见到国内开展脑内神经回路活体染色技术的研究报道。  



　　神经回路的研究，具有重要的基础科学地位。这方面的研究，必将推动对脑工作原理的认识和对脑疾病发病机制的认识。