2008-1-9 15:51:33

《环球科学》2007年全球科技领袖揭晓

生物谷

神经生物学新视野

记忆形成过程中，电极负责记录下神经元发出的冲动。

生物学家在芯片表面模拟出记忆形成，还找到了诊断阿尔茨海默病的新方法。

记忆是如何形成的？为了演示记忆过程如何在生物学基本层面上发生，以色列特拉维夫大学的生物物理学家利用附着在计算机芯片上的神经元细胞，模拟了记忆的形成过程。伊泰·巴鲁齐(Itay Baruchi)和埃谢尔·本-雅各布(Eshel Ben-Jacob)将取自大鼠胚胎的神经元细胞置于一块芯片表面，并用64个电极与它相连，记录细胞活动。当化学刺激物重复滴落在芯片的同一位置，研究人员可以检测到完全相同的神经冲动。反复多次后，即使没有化学刺激，神经元仍然会发出相同的冲动。他们声称，这就表明一个记忆已经形成了。

正常及病变脑组织中蛋白构成的差异，可能为脑疾诊断提供了一种新方法。美国西北太平洋国家实验室的理查德·D·史密斯(Richard D. Smith)和加利福尼亚大学洛杉矶分校的德斯蒙德·J·史密斯(Desmond J. Smith)，共同构建了一套复杂的蛋白分析系统。这套系统将复杂的图像处理功能与一系列高科技设备结合在一起。通过分析两只正常小鼠脑中一毫米见方的组织块，研究人员最终确定了正常大脑组织中1,028种蛋白的含量。科学家将在未来的实验里，利用这种方法比较正常大脑组织与患神经退行性疾病的大脑有哪些不同。

更好的诊断方法是必需的，对阿尔茨海默病来说尤其如此。美国约翰·霍普金斯大学医学院的斯蒂娜·M·塔克(Stina M. Tucker)、埃斯特·奥(Esther Oh)和胡安·C·特龙科索(Juan C. Troncoso)，利用绑定了淀粉样β蛋白(amyloid-beta protein)的抗体进行了一项实验。在阿尔茨海默病患者脑中，淀粉样β蛋白会形成损伤性斑块。研究人员利用遗传工程使实验室小鼠患上一种类似于阿尔茨海默病的疾病。上述抗体在发病早期便与病鼠脑中的异常蛋白结合。这项发现也许会被逐步应用于人类试验，并有朝一日与目前正在开发的药物一起，被用于阿尔茨海默病的预防性治疗。

可以想象，这种诊断方法可能会与一种利用噬菌体(phage，能够感染细菌的病毒)破坏有害斑块的新疗法结合使用。以色列特拉维夫大学的贝卡·所罗门(Beka Solomon)展示了这种新疗法的初步实验结果。噬菌体通过鼻喷剂，被注入到100只经遗传改造、发展出类似阿尔茨海默病斑块的小鼠体内。经过一年的治疗，这些小鼠脑中的斑块比未经治疗的小鼠少了80%。

撰文/加里·斯蒂克斯(Gary Stix) 译/刘旸校/虞骏

光子操控

微小环路可以控制光波脉冲

　　新技术能对光子进行不可思议的操控。

电脑芯片的数据处理能力达到了前所未有的程度，如何在芯片内部传输流量越来越大的信息，就成了一项艰巨的挑战。光子元件的出现或许能解决这一难题，它使用的是光脉冲，而不是慢得多的电荷包。多年来，研究人员一直在研制所谓的硅光波导(silicon optical waveguide)。在这种器件中，光线沿着两条通路之间波导脊传播，就像沿光纤传播一样。

但是，这种光学互连设备必须在精确的时刻发送数据，所以需要对光脉冲进行可控延迟。一种方法是将光脉冲引入用波导制成的微小环路，光脉冲在其中回旋多次后，再继续它们的旅程。美国纽约州约克镇高地IBM托马斯·J·沃森研究中心(Thomas J. Watson Research Center)的尤里·A·弗拉索夫(Yurri A. Vlasov)及其同事，将光脉冲导入环路，运行了100圈之后，没有任何明显的数据损失。

利用微元件延迟光波的另一种方法，是使用光子晶体元件，它们拥有经过仔细设计的孔洞阵列，孔洞的大小和间距可以阻挡特定波段的光线(称为光子带隙)。在一个拥有这种孔洞阵列的硅薄片上，制作一条没有孔洞的通路，就构成了一个光子晶体波导。通路两侧的孔洞产生的带隙限制了光线的传播路径。日本NTT物性科学基础实验所的田边孝纯(Takasumi Tanabe)及其同事在此项研究中取得了一些进展：他们成功地将光子暂时贮存在了光子晶体纳米空腔之中——这里的空腔，指的是波导稍宽的一个小小区域。

一些研究人员想方设法延迟光线，但在美国伦斯勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute)，E·佛瑞德·舒伯特(E. Fred Schubert)领导的另一些研究人员却发明了一种几乎不反射光线的涂层。这种涂层约厚600纳米，由五层纳米棒层叠而成。这些纳米棒由二氧化钛和二氧化硅构成，直径约25纳米，长度可达300纳米。这些纳米棒层叠在一个透明半导体薄片上，每一层的折射率都比下面一层更低。无涂层半导体的光反射率约为12%；如果加上涂层，反射率可以小到0.1%。这种涂层可以应用于光子元件、发光二极管和太阳能电池上。

还有一些研究人员正在追求一个更加远大的目标，那就是制造量子计算机。这种计算机可以利用量子力学的奇特效应，实现空前的运算处理能力。一种实现方案需要把量子数据存储在原子的长寿命量子态中，还要用光波传输这些量子数据。但是，要把存储和传输结合起来，就必须要让脆弱的量子态能够在物质与光之间传递。2006年，在丹麦哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所的实验物理学家尤金·S·波尔齐克(Eugene S. Polzik)，以及德国加兴马普量子光学研究所的理论物理学家伊格纳西奥·西拉克(Ignacio Cirac)的共同领导下，一个研究小组成功将一组量子信息从一个光脉冲传递给一团原子云。

撰文/格雷厄姆·P·柯林斯(Graham P. Collins)

译/王栋校/罗绮、虞骏

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