世界一流科技期刊文章精选

视觉学习行为的神经机制

中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、上海脑科学与类脑研究中心、神经科学国家重点实验室姚海珊研究组开展了眶额叶皮层通过调节初级视皮层的反应增益促进视觉偶联学习的研究。研究论文发表于Nature Communications。通过光遗传标记技术，发现投向V1的OFC神经元通过降低放电率的方式编码奖励预期信号，与V1神经元相反。在No-Go刺激出现时抑制OFC向V1投射的活动能够减慢小鼠的视觉学习速率，而光遗传激活V1的SST抑制性神经元能够提高小鼠的学习速率。因此，OFC向V1的投射能够调节V1神经元对奖励无关刺激的反应，通过改变刺激的显著性来易化视觉偶联学习。

A.在刺激-奖励偶联行为中，OFC神经元的奖励预期信号通过反馈投射到V1，使得V1神经元对视觉刺激的反应受到奖励预期的调节。B.抑制OFC向V1投射的活动，减慢视觉偶联学习。C.OFC的奖励预期信号对V1视觉反应的调节，改变了视觉刺激的显著度；V1视觉反应的变化，有助于OFC奖励预期信号的更新，从而促进学习【图片来源于中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）网站】

基于机器学习的太阳风分类及其空间天气预警应用研究进展

中国科学院国家空间科学中心天气室研究员李晖、王赤等与南京信息工程大学副教授许飞展开人工智能识别太阳风分类的合作研究。研究论文发表于Earth and Space Science。团队利用国际流行的10种机器学习分类算法（KNN、LSVM、RBFSVM、DT、RF、AdaBoost、NN、GNB、QDA、XGBoost）在优选后的八维参数空间中开发了太阳风分类的自动识别算法，可以自动、快速地将太阳风观测数据分为冕洞风、冕流风、扇区反转区风和日冕抛射风4类。该研究证实了基于机器学习的分类算法有能力高效而准确地识别出4种典型类型的太阳风，可以获得比以往经验模型更好的分类效果。

数据驱动的蓝藻水华研究进展

中国科学院重庆绿色智能技术研究院大数据挖掘及应用中心与中国科学院水生生物研究所研究员宋立荣课题组合作，将人工智能方法与水生态问题进行融合，利用模型对我国大中型浅水湖泊蓝藻水华数据进行深入挖掘分析。研究论文发表于Harmful Algae。研究证实微囊藻生物量变化主要受到水温和总磷浓度调控，丝状蓝藻生物量依赖于具体的水体生境条件。建立了环境因子与蓝藻生物量及产毒能力的因果关联，检验出水温、光强和氮浓度依次为影响毒素浓度的关键因子，从毒素控制角度强调了氮磷双控的控制策略。利用贝叶斯推断方法对我国“三湖”氮、磷营养盐的控制浓度进行估算，强调气候变暖会影响营养盐标准的参考阈值。

智能计算成像研究方面取得新进展

中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室与德国斯图加特大学应用光学研究所、美国麻省理工学院合作，提出并实验验证了一种基于物理模型和深度神经网络的新型计算成像方法，无须大量带标签的数据来完成神经网络训练，促进了人工智能技术在计算成像中的广泛应用。论文发表于Light： Science & Applications。针对基于深度学习的计算成像方法中训练数据难以获取和模型泛化性有限的问题，提出将物理模型与神经网络相结合的方法（Physics-enhanced deep neural network, PhysenNet），利用物理模型替代训练数据来驱动网络参数的优化，以计算成像中的经典例子“相位成像”来验证该方法的有效性。

基于参考图像的人脸组成编辑方法

中国科学院自动化研究所媒体深度伪造与反伪造创新团队孙哲南研究员、李琦副研究员等人提出了一种从参考图像学习目标人脸组成形状的人脸组成编辑算法（r-FACE）。相关论文收录于IJCAI 2020。人脸肖像编辑指基于一幅给定的人脸图像，对人脸的属性或组成进行编辑，并且生成的图像看起来真实自然，其在影视制作、照片处理和交互式娱乐等方面具有广阔的应用前景。该方法提出了多样化且可控的人脸组成编辑方法，并较好地保留原始图像的姿势、肤色等风格特征，与传统算法及商业PS算法等相比有明显视觉效果提升。该方法能够生成高质量和多样化的人脸，并可以实现显著语义形状变化的人脸组成编辑。

基于参考图像引导的人脸组成编辑示意图（图片来源于中国科学院自动化研究所网站）

模型框架示意图（图片来源于中国科学院自动化研究所网站）

从大规模科学文献中提取生物医学实体关系的新型深度学习模型

清华大学交叉信息研究院曾坚阳研究组成功开发了从大规模科学文献中提取生物医学实体关系的深度学习模型，即基于机器学习的大规模生物医学关系自动抽取技术。研究论文发表于Nature Machine Intelligence。研究团队采用了一种基于远监督的深度学习策略，使得模型能够在不依赖人工标注数据的情况下应用到各种生物医学关系抽取场景当中。此外，文章所提出的集成了隐式句法树学习和注意力机制的模型，在多项生物医学关系抽取任务当中，都取得了领先的实验结果。这项研究成果表明，这种新型的机器学习框架能够为生物医学关系发现提供有力的帮助。

预测纳米金属氧化物炎症效应的机器学习模型

大连理工大学环境学院李雪花副教授团队与苏州大学李瑞宾教授团队合作，首次构建了机器学习模型，实现了对纳米材料造成肺部炎症效应的预测。不仅为纳米材料风险评价提供了重要的工具，还拓展了对纳米材料炎症效应机理的认识。研究论文发表于Environmental Health Perspectives。论文构建了包含30种纳米金属氧化物的数据库，其中涵盖金属氧化物的4种定量、理化性质。开发了预测纳米金属氧化物肺部炎症效应的机器学习模型。识别和证明了金属氧化物诱导炎症效应的关键细胞事件。研究表明细胞摄取、溶酶体损伤及组蛋白酶Cathepsin B释放是金属氧化物造成炎症的关键事件。

自动化所空间机器人自主操控技术研究进展

中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室、中科院“空间自主操控创新交叉团队”张鑫、刘金国等，针对不具备抓捕特征的空间非合作目标，提出了一种机器人化“锁笼对”的捕获方法。研究论文发表于IEEE/ASME Transactions on Mechatronics。文章提出了采用双臂空间机器人实现锁笼对的捕获方法，核心是将目标限定在有限的封闭空间之中，即机器人化锁笼中；并提出锁困兼容性概念以及相应的性能指标，用于定量地描述锁笼对方法的捕获能力。基于该性能指标，提出一种双臂空间机器人预捕获构型的规划算法，以获得最优捕获能力。最后，搭建气浮式空间机器人实验平台验证了方法的有效性。

“墨子号”实现基于纠缠的无中继千公里量子保密通信

中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志、印娟等组成的研究团队，联合牛津大学Artur Ekert、中科院上海技术物理研究所王建宇团队、微小卫星创新研究院、光电技术研究所等相关团队，利用“墨子号”量子科学实验卫星在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发。研究论文发表于Nature。基于卫星的远距离安全通信实验成果不仅将以往地面无中继量子保密通信的空间距离提高了一个数量级，并且通过物理原理确保了即使在卫星被他方控制的极端情况下依然能实现安全的量子通信，取得了量子通信现实应用的重要突破。这是朝构建全球化量子密钥分发网络甚至量子互联网的重要一步。

实验示意图（图片来源于中国科大新闻网）

实现量子相干控制超分辨荧光宽场显微成像

北京大学物理学院介观物理国家重点实验室极端光学研究团队龚旗煌院士、王树峰副教授等提出了基于量子相干控制原理主动调制分子荧光发射而获得超分辨荧光显微的方法（SNAC），在宽场成像下实现了分辨率的提升。研究论文发表于Science Advances。传统的光学显微系统受到阿贝衍射极限原理的限制，无法分辨尺度小于～200nm的事物，为了突破衍射极限，超分辨荧光显微技术应运而生，在生物成像等领域得到了广泛应用。该研究将脉冲整形作为新的控制维度引入荧光超分辨，并将宽场超分辨成像技术的分辨率提升到了与单分子定位方法接近的50nm的水平。

导航波场触发的液态金属量子化轨道及金属液滴追逐效应

中国科学院理化技术研究所与清华大学联合研究小组开展复合导航波场中量子化在轨追逐的液态金属液滴对研究。研究论文发表于Physical Review Fluids。该研究设计了一系列实验来探究液态金属液滴对的轨道化追逐效应的背后原理。通过采用高速成像、数字图像跟踪、粒子成像测速等方法，揭示了振动的液态金属液池和弹跳液滴的流体力学特性。此项工作中发现的液态金属液滴对的轨道化追逐运动，与光学系统中纳米颗粒对的运动模式具有惊人的相似之处。液态金属液滴对的轨道化旋转追逐效应，是受液滴同时受局部导航波和液池全局导航波场这一复合波场的引导所致。

双层石墨烯量子点中发现贝利相位导致的谷劈裂和谷反转现象

北京大学孙庆丰教授和北京师范大学何林教授等合作，揭示了石墨烯体系中贝利相位和谷自由度的重要关系。研究论文发表于Physical Review Letters。当磁场为零的时候，两个谷中电子在动量空间的绕行轨迹受到时间反演对称性的保护完全相同，因此电子的贝利相位也相同；增大磁场，K谷的电子绕行轨迹受到等效洛伦兹力的拉伸会增大，从而导致贝利相位也增大，而K’谷的电子绕行轨迹则在相反的等效洛伦兹力作用下被挤压，因此贝利相位则会减小。实验中观察到的谷能级劈裂和交叉行为，也为利用贝利相位来操控谷自由度、设计新型的谷开关器件提供了新的思路，对谷电子学的发展具有重要意义。

高效量子点上转换探测器

上海科技大学物质学院宁志军课题组以胶体量子点材料为基础，制备出一种新型、低成本、高探测率的红外上转换器件，展示了红外上转换器件在生物成像和可穿戴电子器件领域良好的应用前景。研究论文发表于Nature Electronics。近红外光电探测与成像器件在生物检测、信息通讯、军事、气象等领域中有重要作用。研究者以胶体量子点材料为基础，制备出一种新型、低成本、高探测率的红外上转换器件。这种红外上转换器件的红外吸收层和可见光发射层均采用了胶体量子点材料。受益于胶体量子点可溶液法处理的特性，除了最上面的电极，整个红外上转换器件全部采用溶液法制备，极大简化了器件的制备。

红外上转换器件结构和能带示意图（图片来源于上海科技大学网站）

红外上转换器件成像图片（图片来源于上海科技大学网站）

基于有机溶剂合成石墨烯量子点研究进展

中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心研究员王辉、林文楚与合作者，在基于有机溶剂合成石墨烯量子点（GQDs）领域取得新进展：研究发现具有特定结构的有机溶剂（双键、苯环或多极性基团）可直接碳化并形成GQDs。研究成果发表于Nanoscale。在不加催化剂以及其他有机前驱体的情况下，利用常见有机溶剂为单一前驱体，系统研究了高温密闭条件对于有机溶剂稳定性的影响。结果表明：具有特定结构的有机溶剂（双键、苯环或多极性基团）在高温溶剂热条件下可直接碳化并形成GQDs。此外，通过调整有机溶剂的种类，可以在分子水平上轻松地调控GQDs的表面基团、原位掺杂和光学性质。

利用“墨子号”量子科学实验卫星实现安全时间传递

中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志、徐飞虎等利用“墨子号”量子科学实验卫星，在国际上首次实现量子安全时间传递的原理性实验验证，为未来构建安全的卫星导航系统奠定了基础。研究论文发表于Nature Physics。基于量子不可克隆原理，以单光子量子态为载体的时间传递技术可以从根本上保证信号传输过程的安全性。基于“墨子号”量子科学实验卫星，潘建伟团队突破了星地单光子时间传递、高速率星地双向异步激光时间应答器等关键技术，实现了星地量子安全时间同步的技术验证，获得了30ps精度的星地时间传递，此精度达到了星地激光时间传递的国际先进水平。

可控非马尔可夫噪声通道中的量子费舍尔信息流研究进展

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心固态量子信息与计算实验室潘新宇研究员等与合作者，在金刚石氮空位中心自旋量子系统中构建了多通道的可控非马尔可夫噪声环境，并用量子费舍尔信息研究了自旋量子系统的相干态、纠缠态在非马尔可夫环境下的演化行为。研究成果发表于Physical Review Letters。该研究从实验上检验了量子费舍尔信息与非马尔可夫性的对应关系，其实验方案和结论可拓展至超导量子比特、离子阱量子比特、光量子比特等众多的量子系统中。即使环境中耗散通道不能被很好地控制，只要能测量开放系统的量子费舍尔信息，就可以用其信息流动来研究其开放系统动力学的非马尔可夫性质。

星系团纤维状冷气体形成机制研究

北京大学物理学院天文系科维理所邱宇博士领衔一项研究，关于星系团模拟揭示包含宇宙尘埃的纤维状冷气体结构的形成。研究论文发表于Nature Astronomy。数值模拟研究首次揭示了活动星系核反馈所驱动的、由内而外的气体外流是该纤维状结构形成的关键。初始温度在一万到一千万开尔文的气体外流的冷却时间小于它们上升到最大高度的时间，因此在外流路径中自然形成纤维状冷气体。通过这种方式形成的结构与天文观测的结构高度吻合。该文章为探讨活动星系核反馈对星系团的影响提供了新的框架，并为有关超大质量黑洞和其寄主星系协同演化的研究提供了理论上的支持。

英仙座星系团纤维状结构的哈勃望远镜观测图（左）与数值模拟示意图（右）对比。氢原子Hα可见光谱线常被用来观测温度约一万开尔文的气体。（图片来源：邱宇）（源自北京大学物理学院天文系网站）

探测到彗星46P/Wirtanen大气中的HCN成分

中国科学院新疆天文台行星科学研究团组王震副研究员等科研人员利用中科院紫金山天文台13.7米毫米波望远镜3.4mm波段观测彗星，在国内首次探测到彗星挥发气体中88.6GHz氰化氢分子发射线。研究论文发表于The Astronomical Journal。至今为止，46P/Wirtanen是距离地球第10个近的彗星，提供了研究彗发细节的良好时机。2018年12月14日—15日，研究人员对其观测16个小时，速度分辨率0.21km/s ，探测到HCN（J=1-0）的发射线，并估算了对应的氰化氢的生成率、氰化氢相对于水的丰度、气体膨胀速度等彗星物理参数，为进一步研究太阳系星云原始遗迹物质提供了重要的数据基础。

一个来自超大质量黑洞X射线周期性震荡信号

中国科学院国家天文台高能天体物理团组金驰川研究员主导一项研究确认，RE J1034+396的X射线震荡信号仍然存在，并且比10年前更强了，这是目前观测到的超大质量黑洞心跳信号的最长持续时间。研究论文发表于英国皇家天文学会月刊MNRAS。宇宙中存在大量的具有百万至上亿个太阳质量的黑洞。这个心跳信号首次证明来自超大质量黑洞的这类周期性信号可以长期保持稳定，为我们提供了深入研究其物理机制和起源的重要线索和绝佳机会。RE J1034+396也可以成为我国下一代X射线天文卫星，比如爱因斯坦探针（EP）卫星和eXTP卫星的重要观测目标之一。

银心中微子和伽马光子辐射研究进展

中国科学院紫金山天文台贺昊宁副研究员等与国内外合作者对高能立体望远镜系统（H.E.S.S.）观测到的来自银河系中心的能量约为1TeV以上的高能伽马光子作出理论解释，并对高能伽马射线望远镜（如切伦科夫望远镜阵列CTA、高海拔宇宙射线探测器LHAASO）和中微子探测器（如南极冰立方中微子天文台IceCube）对银河系内恒星形成区及银心区域的探测作出预言。研究论文发表于The Astrophysical Journal。研究模型解释了H.E.S.S.观测到的能量约为1TeV以上的伽马射线辐射，并计算了冰立方十年积分后可能观测到的来自银心方向的中微子数目，以及预测了银心方向的中微子分布模版。

利用“嫦娥四号”数据分析观测角度对光谱解译影响研究

中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室刘洋研究员与中国科学院地质与地球物理所林杨挺研究员团队合作，利用“玉兔二号”可见光近红外光谱，对所测光谱如何受到观测几何角度的影响进行了详细研究。研究论文发表于Geophysical Research Letters。研究结果发现，观测几何角度的变化会对矿物成分的解译带来较大偏差，在1000nm处的光谱吸收位置最大变化约有30nm，2000nm处的最大变化约为150nm。因此，对光谱进行光度校正（所有光谱校正到同一角度），这对光谱解译来说是非常重要的过程。这一组原位测量的光度数据也可作为后续数据光度校正的基础。

玉兔2号对月表同一区域进行了连续的光谱图探测，获取了不同观测几何角度下的反射光谱（Yang et al., 2020）（图片来源于中国科学院国家空间科学中心网站）

日长变化中的新信号

中国科学院上海天文台天文地球动力学研究中心地球自转变化课题组、中国科学院行星科学重点实验室的科研人员在EOP参数之日长变化研究方向上取得了新进展。研究论文发表于Nature Communications。地球的自转一直在变化，而且变化得相当复杂，既有岁差和章动，还有极移和日长变化，物理上用自转轴指向参数（Earth Orientation Parameters； EOP）表示。它们都反映了地球的整体运动及其随时间变化的重要信息。该研究报道了日长变化中存在显著的约8.6年周期的振幅增强信号，并首次发现该振荡的极值时刻与地磁场快速变化的发生存在密切的对应关系。

热亚矮星与中子星双星系统研究进展

中国科学院云南天文台大样本恒星演化团组吴优博士等对热亚矮星与中子星双星系统进行研究，得到了银河系中这类系统的统计性质，并分析了它们在观测上被找到的可能性。研究论文发表于Astronomy & Astrophysics。论文构建了热亚矮星与中子星双星的形成模型。再通过双星星族合成方法研究了它们在银河系中的数目、诞生率、引力波辐射强度等。研究发现热亚矮星与中子星双星的形成经历了2次物质转移阶段，在银河系内的数目为7000～21000个，占银河系全部热亚矮星双星的0.3%～0.5%。大约有100～300个通过公共包层通道形成的短周期系统可以作为潜在的引力波源，在未来有望被LISA探测到。

利用LAMOST数据对超新星遗迹距离及尘埃性质的研究

北京师范大学赵赫、姜碧沩教授等人利用LAMOST和APOGEE等项目数据，建立了一个包含130万颗恒星的样本，这些恒星覆盖了32个河内超新星遗迹，约占银河系内已知遗迹总数的10%。研究者准确测量了其中15个遗迹的距离，获知了7个遗迹的距离范围，并研究了超新星爆发对星际尘埃的影响。研究论文发表于The Astrophysical Journal。星际尘埃作为星系的重要组成部分，广泛参与了星系中各种物理化学过程，并在其中扮演着重要的角色。局限于样本恒星的数量，目前还无法研究遗迹中消光和尘埃质量的分布。但随着光谱巡天的发展，这一方法将拥有更广阔的应用前景。