第一篇，清华大学Nature：用于大脑启发式计算的系统层次结构

▲第一作者：张悠慧

通讯作者： 施路平 张悠慧

第一单位：清华大学计算机系

DOI: 10.1038/s41586-020-2782-y

背景介绍

神经形态计算从大脑中汲取灵感，提供计算技术和架构，有潜力驱动下一代计算机工程，为通用人工智能的发展提供了一个很有前途的平台。通用人工智能是具备与人类同等智慧或超越人类的人工智能。然而，与传统计算系统不同的是，传统计算系统有一个围绕图灵完备性和冯·诺伊曼结构建立的良好的计算机层次结构，目前还没有广义的系统层次结构或对大脑启发计算的完备性的理解，使得当前的人工智能成果大都是“狭隘”的，即面向特定任务，只能解决特定问题。

本文亮点

作者提出“神经形态完备性”（neuromorphic completeness）这一全新概念， 它放松了对硬件完整性的要求，降低了软硬件之间的耦合性，并通过引入一个新的维度——近似粒度（the approximation granularity）来扩大设计空间。并且提出一种系统层次结构，由具有图灵完备的软件抽象模型和通用的抽象神经形态结构组成。使用这种层次结构，可以将各种程序描述为统一的表示形式，确保了编程语言的可移植性，同时保证硬件完整性和编译可行性。这项研究让大脑启发式计算系统的各个方面实现高效且兼容的进步，从而促进各种应用程序的开发。

图文解析

▲图1： 大脑启发计算系统和传统计算系统的层次结构。 

要点：

1. 对于任意给定的误差间隙ε≥0和任意图灵可计算的函数f（x），如果系统能实现一个函数f1（x），使‖f（x）？f1（x）‖≤ε满足任何有效输入x，则称它为神经形态完备的计算系统。

2. 神经形态完备性将普遍逼近与普遍可计算性联系起来，通过近似实现一个函数不需要系统模拟图灵机。

3. 提出POG（programming operator graph）作为软件的中间表示；设计抽象神经形态体系结构ANA（abstract neuromorphic architecture）作为硬件抽象，包括一个 EPG （execution primitive graph），作为硬件的中间表示为上层的接口来描述它可以执行的程序；引入了编译工具以将POG转换为EPG。

▲图2：POG, EPG，ANA. 

要点：

1. POG是图灵完备的，并且集成了存储和处理。（图2a）

2.ANA（ EPG ）接口具有控制-流-数据流的混合表示，加强了它对不同硬件的兼容性，且符合当前混合架构硬件的发展趋势。（图2c）

3. EPG同时具有神经形态完备性和图灵完备性两种极端，用不同的近似粒度以不同的形式表示（在性能和资源消耗之间有不同的权衡）。（图2d）

▲图3： 工具链和自行车驾驶跟踪实验。

要点：

1. 通用GPU完全依赖于精确计算。FPSA主要通过近似来实现不同的功能。Tianjic支持精确计算和近似。证明近似粒度的选择对硬件成本有很大影响。（图3 d e） 

2.用三个应用程序证明该层次结构的可行性和多功能性。

▲图4： 实验结果。

 要点： 

1. 鸟群系统仿真实验证明该方法的应用范围可以扩展到非神经网络。（图4 c,b） 

2. 因式分解实验证明只要满足一定的误差限制，在近似粒度与神经形态完备性所引入的性能之间的权衡有利于降低硬件成本。（图4 e,f,g）

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2782-y

第二篇：北京大学Nature：NAD+介导的神经退行性蛋白自我抑制机制

▲第一作者：Yuefeng Jiang

通讯作者：Jing Yang， Zhe Zhang

通讯单位：北京大学，生命科学学院

DOI: 10.1038/s41586-020-2862-z

背景介绍

轴突的病理变性破坏了神经回路，是神经退行性变的特征之一。Sarm1是神经退行性过程的中央调节因子，其TIR域通过NAD酶活性发挥神经退行性作用。然而，Sarm1激活的严格控制背后的机制仍有待完全理解。

本文亮点

1. 本文报告了全长Sarm1蛋白质在2.6-3.0埃分辨率下的冷冻电镜结构。

2. 作者发现NAD+是ARM结构域的意外配体。这种NAD+结合促进了ARM结构域通过其结构域接口抑制TIR结构域的NAD酶。

3. NAD+结合位点的破坏或ARM-TIR相互作用引起组成性活性的Sarm1会导致轴突变性。

4. 这些发现揭示了这种新的NAD+介导的中枢神经退行性变蛋白的自我抑制。

图文解析

▲图1 通过与Sarm1ARM交互，Sarm1TIR被限制在非活动状态。

（a） Sarm1的示意图。线粒体靶向序列肽（MTS）、Sarm1ARM、Sarm1SAM和Sarm1TIR分别用灰色、绿色、黄色和蓝色表示。

（b） Sarm1八聚体的侧视图。α-螺旋线显示为圆柱体。NAD+分子显示为棒状。一个原生质体的颜色与（a）中相同。其他的原生质是灰色的。给出了八聚体的厚度和一个原聚体的长度。

（c-d）不同结构域（c）或原生质体（d）着色的Sarm1八聚体俯视图。给出了环形结构的内径和外径。

（e）SARM1臂的圆柱体表示。

（f）Sarm1连接Sarm1八聚体的组装。图中显示了三个原聚体的五个结构域，它们由1到3的不同下标表示。右侧详细显示了两个Sarm1ARM-Sarm1TIR接口。

（g）左图：三个Sarm1TIR结构的叠加。Sarm1TIR在我们现有的全长Sarm1（E642A）结构中是蓝色的；报告的单个Sarm1TIR（PDB代码：6O0Q）和Sarm1TIR（G601P）（PDB代码：6O0V）的结构分别是绿色和粉红色的。E642残基的侧链显示，BB环被圈起来。右图：三种结构中NAD+底物位点的比较。BB环是红色的。在所报道的Sarm1TIR结构中，占据NAD+底物位置的核糖分子显示为棒状。NAD+底物位点的中心切片显示在底部，显示出三种结构中的口袋形状。

▲图2 Sarm1ARM和Sarm1TIR之间自我抑制相互作用的功能验证。

（a）Sarm1催化的NAD+裂解反应，主要产物为NAM和ADPR。

（b）用薄层色谱法（TLC）分析NADase的活性。以5 nmol-NAM、ADPR和NAD+为标准品，在薄层色谱板上显示了它们的迁移位置。

（c）Sarm1突变蛋白的NADP酶活性。NAD酶活性由NAD+和ADPR强度之和[IAPPR/（INAD++IADPR）]归一化后的ADPR强度计算NAD酶活性。

（d）由Sarm1组成性激活引起的轴突变性。将表达每个Sarm1突变蛋白的DIO版本的慢病毒与表达Cre的病毒载体相结合，将培养的Sarm1-/-感觉神经元转化。轴索完整性通过相差显微镜（上部分）或抗Tuj1（绿色）/抗NF-M（红色）共免疫染色（下部分）进行检查。

（e）轴突变性定量。

▲图3 Sarm1ARM内NAD+结合位点。

（a） NAD+结合的Sarm1ARM在Sarm1（E642A）结构中的条带表达。NAD+显示为由元素着色的品红色棒。将Sarm1ARM参与NAD+结合的区域标记为绿色。

（b） 结合NAD+分子的低温电镜密度。该地图的等高线高度为6.0。

（c） Sarm1ARM与NAD+相互作用示意图总结。表示形式：垂直线，芳香相互作用；虚线、氢键或盐桥（<4.0埃）。通过侧链与NAD+发生芳香性或亲水性作用的残基为黑色，通过主链的残基为蓝色。灰色残基与NAD+具有范德华相互作用（<4.0埃）。

（d） Sarm1ARM内NAD+结合位点立体视图。所有参与NAD+结合的残基都显示在侧链上。氢键和盐桥用虚线表示。

▲图4 NAD+与Sarm1ARM的结合促进了Sarm1的自我抑制。

（a） 微尺度热泳（MST）检测NAD+对Sarm1ARM+SAM的亲和力。

（b） Sarm1ARM内NAD+结合位点的静电性能，在pH 7.0和一价阳离子和阴离子浓度0.15 M时计算。第一组侧链[R（左）：R110;R（右）：R157;第二组（W: W103;问：Q150;H: H190）残基以条状表示，分别以绿色和黄色表示。

（c） 对NAD+结合位点突变的Sarm1 NAD酶活性进行TLC分析。RRK to A: R110A、R157A、K193A;RRK to E: R110E、R157E、K193E;WQH到A: W103A, Q150A，和H190A。

（d） 采用高效液相色谱法（HPLC）测定Sarm1的NAD酶动力学。

（e） 组成活跃的Sarm1诱导轴突变性。将表达每个Sarm1突变蛋白的DIO版本的慢病毒与表达Cre的病毒载体相结合，转染Sarm1-/-感觉神经元。轴突完整性通过相衬显微镜（上片）或抗Tuj1（绿色）/抗NF-M（红色）共免疫染色（下片）检查。

（f） 对轴突变性进行量化。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2862-z

作者简介

张哲

个人介绍：

2008年6月毕业于山东大学生命科学学院生物技术（生命科学基地）专业。2008年9月至2015年1月在中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所攻读博士学位，师从丁建平教授，主要利用X-射线晶体学研究与内吞过程相关的小G蛋白Rab GTPases在膜泡运输过程中发挥功能的分子机制。2015年2月至2019年6月前往美国洛克菲勒大学陈珏（Jue Chen）教授课题组从事博士后研究，利用单颗粒冷冻电镜（single-particle Cryo-EM）技术对CFTR（Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator）蛋白发挥阴离子通道（anion channel）功能的分子机制进行了系统的阐释；并首次揭示了两种治疗囊性纤维化疾病（Cystic Fibrosis）的药物在该蛋白上的结合位点。2019年7月正式加入北京大学生命科学学院和北大-清华生命科学联合中心，担任研究员，开始组建膜生物学与生物物理学实验室。

教育经历：

2008年9月-2015年1月，博士，中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所

2004年9月-2008年6月，本科，山东大学生命科学学院

杨竞

个人介绍：

2003年师从赵进东院士于北京大学生命科学学院获得生物科学学士学位，2004年至2009年师从诺贝尔奖得主Michael Brown教授和Joseph Goldstein教授于美国得克萨斯大学西南医学中心获得生物医学博士学位，2009年至2015年师从Marc Tessier-Lavigne教授在美国基因泰克公司和洛克菲勒大学从事博士后研究。2015年入职北京大学生命科学学院，曾获得优秀青年科学基金等资助，并曾荣获Tri-Institutional Breakout Prize、“求是”杰出青年学者奖等多项重要学术奖项。

教育经历：

2004-2009，理学博士，美国得克萨斯大学西南医学中心

1999-2003，理学学士，北京大学生命科学学院

第三篇：厦门大学郑南峰/傅钢、北京大学江颖Nature：铜抗氧化防腐新方法

▲第一作者： 彭健， 陈碧丽， 汪知昌

通讯作者： 郑南峰， 傅钢， 江颖

通讯单位： 厦门大学， 北京大学

DOI：10.1038/s41586-020-2783-x

背景介绍

由于铜具有高导电导热性、延展性和无毒性的特点，广泛应用于日常生活和工业中，尤其是抗氧化腐蚀中。但许多广泛应用的抗氧化技术，如合金化和电镀，往往会降低铜本身的某些物理性能，并可能引入镍和铬这类有害元素。虽然目前已经研究开发出利用有机分子、无机材料或碳材料作为氧化抑制剂来实现铜的抗氧化，但其大规模应用仍成功率不高。

本文亮点

1. 本文报道了在甲酸钠存在的条件下，通过铜的溶剂热处理来实现铜表面的晶体学重构并形成超薄的表面配位层，在不影响铜本身导电导热性的基础上，大大改善其在空气、盐雾和碱性条件下的抗氧化性。

2. 本文提出了一种快速的室温电化学合成的方法，实现铜表面的钝化。

3. 通过引入烷基硫醇配体来配合未被钝化层保护的台阶或缺陷位，进一步提高铜表面的抗氧化性。

4. 利用本研究提出的方法，能够用于钝化薄膜、纳米线、纳米颗粒和块体浆料等不同结构的铜材料。

图文解析

▲图1.  甲酸根处理后铜箔防腐性能的表征

● 暴露在0.1M NaOH中8h后，未处理的铜箔完全变暗，而甲酸根处理的铜箔（Cu-FA）仍能保持金属光泽，甚至优于广泛使用的黄铜等铜合金以及石墨烯包裹的铜。

● 甲酸根处理的铜箔在Raman光谱中未观察到明显氧化物的存在，而未处理的铜箔出现明显的峰；结合SEM结果，说明未处理的铜箔在碱性条件下发生明显的氧化腐蚀，而甲酸根处理能有效抑制该氧化。

▲图2. 甲酸根处理后铜的STM和AFM图像

● STM：300℃下退火来得到无污染的高分辨成像表面；Cu-FA能观察到大量的单晶畴，台阶高度均匀，约为2.55?，与Cu（110）晶面的双原子台阶位高度相对应，说明多晶铜箔在甲酸根处理后表面重构为Cu（110）晶面；高分辨STM中观察到完美的Cu（110）-c（6×2）超晶格。

● AFM：在恒高度AFM中，STM图像中的每个圆形突起被进一步解析为成对的非球形瓣；成对的瓣呈三角形，且瓣与瓣之间的间距为3.73±0.03?，明显大于Cu（110）最相邻短桥位Cu原子的距离（2.55?），排除了AFM中明亮的突起是甲酸根在Cu（110）表面的桥式配位。

● DFT计算解析晶体结构：双核铜-甲酸根构成的梯度材料，表面双核Cu基团上Cu的价态从+2价下降到次表面的+1价，再到内部的0价；两个配体甲酸根之间的C-C-距离位3.66?，HCOO-三角形精细结构也与AFM结果也完全一致。

▲图3. Cu（110）在铜抗氧化中的作用 

● 由前述可知，Cu（110）表面的重构有利于铜的防腐，因此在100℃下分别用甲酸钠溶液处理暴露（110），（111）和（100）表面的Cu，发现对于Cu（110）表面，处理时间缩短至1h也可获得抗腐蚀性能，而对于Cu（111）和（100）表面，即使将处理时间延长至10h，表面也会被严重腐蚀。

● DFT计算O2和Cl-在原始的Cu（110）和甲酸根处理的Cu（110）的吸附自由能，结果发现O2和Cl-与原始的Cu（110）强烈相互作用，但甲酸根处理的Cu（110）表面覆盖双核[Cu（μ-HCOO）2（OH）2]2和O2-，明显抑制了O2和Cl-的吸附，抑制了Cu的氧化腐蚀。

● DFT计算表明在铜表面引入强配位的烷基硫醇能进一步提升抗腐蚀能力。因此，将Cu-FA经过在1 mM的烷基硫醇中浸泡5 min后，得到了硫醇和甲酸根共保护的铜（Cu-FA/DT），比未处理的Cu提升了2个数量级，而相比Cu-FA也提高了近一个数量级；光学照片也清晰地反映了硫醇处理对铜抗腐蚀能力的增强。

▲图4. Cu纳米线的防腐策略及室温电化学抗氧化技术

● 以平均直径35nm，长度220μm的铜纳米线（Cu NWs）为例，未处理的Cu NWs在空气中不稳定，容易氧化形成表面氧化层，使导电性降低；利用甲酸根进行处理后的Cu NWs（Cu NWs-FA），表面完全钝化，在空气中能稳定长达90天，即使在80℃空气中热处理48h后，仍未检测到氧化物的形成。

● 室温电化学抗氧化技术：在含1.0% HCOONa的溶液中，通过电化学氧化-还原的方法，实现铜表面的晶格重构，电化学处理后Cu（220）晶面衍射峰明显增强；利用前述的烷基硫醇处理的方法进一步提高Cu的抗氧化性能，对Na2S也具有良好的抗腐蚀性能。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2783-x

作者介绍

郑南峰

郑南峰，厦门大学特聘教授，2004年获美国材料研究学会的优秀研究生奖，2006年获美国化学会的无机杰出青年科学家奖，2009年获国家杰出青年基金资助，2010年受聘为教育部“长江学者”特聘教授，2009年获福建省杰出青年基金资助，2009年获中国化学会—约翰威立出版公司青年化学论文奖，2010年获中国化学会青年化学家奖，2012年获霍英东教育基金会杰出青年教师奖，2011、2012年获日本化学会Distinguished Lectureship Award，2013年获东京大学Zasshi-kai Lectureship，2014年获第四届中国化学会-英国皇家化学会青年化学奖，2016年获中国优秀青年科技人才奖。他还于2012年入选中组部青年拔尖人才支持计划，2013年入选中青年科技创新领军人才。他目前担任Nano Research, ACS Central Science, Advanced Materials Interfaces, ChemNanoMat, Science China-Chemistry和Chinese Chemical Letters等期刊的（顾问）编委，在science、nature、nature mater.、nature nanotech.等发文140余篇，被引13000余次，H指数63。

研之成理此前关于郑南峰老师的介绍：https://mp.weixin.qq.com/s/jB4iegIzyHY_QxzwJdxRAg

傅钢

傅钢，厦门大学化学化工学院教授、博士生导师，催化科学与工程研究所所长。2011-2012年作为访问教授前往法国里昂高等师范学院与Philippe Sautet教授进行合作交流。目前主要的研究领域是纳米表界面催化的理论研究，从事多相催化的理论研究，主要运用密度泛函理论，从实际复杂的催化体系中抽提模型，应用密度泛函理论深入研究复杂催化体系表界面电子结构及其协同催化机制。深入认识表面有机配体对催化加氢选择性的调控机制，发展了表面配位化学的概念；先后在Science（2篇），Nature Mater.（1篇），Nature Commun.（4篇），J. Am. Chem. Soc. （3篇），Angew. Chem. Int. Ed.（2篇），Chem （2篇），ACS Catal. （2篇）等刊物上发表论文60余篇。研究专长：纳米表界面催化的理论研究、多相催化的理论研究。

江颖

江颖，北京大学物理学院量子材料科学中心教授，国家杰出青年科学基金获得者。2003年获北京师范大学物理系学士学位，2008年获中科院物理研究所博士学位，2006-2007年为德国尤里希研究中心访问学者，2008-2010年在美国加州大学欧文分校从事博士后研究。2010年任北京大学量子材料科学中心助理教授，2016年晋升长聘副教授，2018年晋升长聘教授。在国际顶尖杂志上发表论文30余篇，其中包括《科学》2篇、《自然》1篇、《自然》子刊6篇，被Science、Nature、研究成果曾入选中国十大科技进展新闻（2016）和中国科学十大进展（2017）。受邀在美国物理学会年会、美国化学学会年会等国际重要学术会议上作邀请报告40余次（包括3次大会报告和2次主旨报告）。担任Chemical Physics、Advanced Quantum Technologies等杂志的顾问编委和Chin. Phys. B、《科学通报》、《物理学报》、《化学学报》等杂志的编委，美国物理联合会中国顾问委员会委员。中国青年科技工作者协会会员，北京大学液氦中心专家委员会委员，中科院物理所表面物理国家重点实验室学术委员会委员。

课题组首页：http://www2.phy.pku.edu.cn/~yjiang/home.html