科学 | Science PDF 2026.07.02 北京大学杨玉超团队新突破:利用相变忆阻器“缺陷”,实现脑皮层重建较GPU加速478倍

刊名：Science 科学

出版日期：2026年7月2日

杂志定位：Science是由美国科学促进会（AAAS）出版的全球顶级学术期刊，创刊于1880年，致力于发表最具影响力的原创研究、综述和科学评论，覆盖生命科学、物理学、地球科学、人工智能等全学科领域，是全球科学界最受瞩目的权威期刊之一。

本期《Science》以“美国科学250年”为封面主题，恰逢美国独立250周年纪念。主编Holden Thorp在社论中提出：科学界不应仅靠“说服”赢回公众信任，而应通过“说到做到”来证明科学的承诺——这一命题贯穿了本期多篇政策与历史专题。Johns Hopkins大学校长Ronald J. Daniels回顾了美国研究型大学从19世纪末的创立到二战后联邦资助体系的形成；历史学者Beverly Gage则探讨了高等教育的信任危机与修复之道。研究方面，本期亮点纷呈：南洋理工大学团队展示了AI在儿童神经发育风险早期筛查、纳米芯片疾病检测和工人热应激数字孪生模型中的应用；明尼苏达大学合成生物学家Kate Adamala团队创造了能生长和分裂的“SpudCell”合成细胞；Google量子AI团队在超导量子处理器上观察到了“无无序局域化”现象；而一项关于全球最高热带树木（龙脑香科）的研究则挑战了“树木越高越脆弱”的传统假说。此外，本期还报道了Springer Nature因版权机器人误操作而撤稿了量子力学先驱Max Planck的两篇论文——这一乌龙事件引发了学界对算法裁量历史的深刻担忧。

 选文导读 

1. 合成细胞“SpudCell”：能生长和分裂的人造生命雏形 / Lab Creates New Kind of Synthetic Cell

明尼苏达大学合成生物学家Kate Adamala团队创造了名为“SpudCell”的合成细胞——一个仅含36个基因的微小脂质水滴，却能生长、复制基因组并进行分裂。SpudCell基于PURE系统（一套包含转录和翻译所需生物分子的基本试剂盒），通过巧妙的工程设计使其基因组编码表面标签，这些标签能附着“喂养囊泡”以获取生长所需的酶和分子。分裂机制则依赖另一种表面标签FLAG与链霉亲和素的结合产生的排斥力。然而，分裂效率极低，且核糖体会随时间降解而无法更新。尽管如此，斯坦福大学合成生物学家Drew Endy称其为“催化性时刻”，并已联合Adamala等人成立了非营利研究机构Biotic，致力于加速真正的合成细胞研究。Adamala将SpudCell比作“莱特兄弟的第一架飞机”——低效但原理清晰。

2. 世界最高热带树木如何应对干旱——挑战“越高越脆弱”假说 / Height Does Not Impair the Hydraulic System of the Tallest Tropical Trees

全球森林中，最高1%的树木储存了超过一半的地上生物量。传统“水力限制假说”认为，随着树木长高，重力使叶片水势下降，输水路径延长增加阻力，使高大树木在干旱中更脆弱。然而，来自婆罗洲龙脑香科（全球最高的热带树木科）的研究挑战了这一假说。研究团队测量了5个物种、38棵树（高度7.7至71米）的25项水力相关性状，发现树干基部导管直径随高度显著增加（70米树的导管直径是10米树的2.2倍），导管直径从枝尖到基部以0.30的指数增粗——超过代谢尺度理论预测的0.2最小值，意味着输水阻力被完全补偿。更关键的是，在2023-2024年强厄尔尼诺干旱期间，高大树木的直径生长速率并未比矮小树木下降更多。研究结论：高度并未使这些热带巨树的水力系统更脆弱，它们通过导管解剖和叶片水力性状的调整完全抵消了重力和路径长度的负面影响。

3. 果蝇主动“重启”生物钟——行为如何塑造时间感知 / Fruit Flies Actively Restart Their Circadian Clock

传统观念认为，生物钟是被动响应环境光暗周期的“计时器”。但德国明斯特大学的研究团队发现，果蝇会主动选择黑暗环境来重启自己的昼夜节律。实验装置允许果蝇在持续光照（LL）条件下自由穿梭于光明与黑暗区域之间——持续光照本应降解核心钟蛋白Timeless，使果蝇失去节律。然而，当给予黑暗避难所时，60-80%的果蝇恢复了节律行为，周期延长至27-29小时（比正常24小时更长）。分子层面，这些果蝇的时钟神经元中Period蛋白恢复振荡，而节律丧失的果蝇则没有。更重要的是，恢复节律的果蝇睡眠更加集中、片段化减少——最长睡眠时间增加一倍。研究者认为，果蝇通过“自我构建的时间生态位”主动维持节律，而非被动响应环境。这一发现将“生态位构建”概念引入时间生物学：生物体不仅是进化的对象，也在主动塑造自身的时间环境。

4. 相变忆阻器实现亚10毫秒神经动力系统 / A Sub-10-Millisecond Neural Dynamical System Based on Phase-Change Memristors

北京大学杨玉超团队与中科院上海微系统所合作，利用相变忆阻器（PCM）的“电导漂移”这一传统缺陷，将其转化为可编程计算资源，实现了亚10毫秒（2.12毫秒）的神经动力系统（NDS）单次迭代计算。NDS是一种结合神经网络与常微分方程数值积分的计算框架，能高保真模拟物理世界的连续变形场（如脑皮层表面重建）。传统硬件中，自适应步长搜索需要大量读写和乘法操作，延迟达数百毫秒。该团队利用PCM精确可控的电导漂移实现“原位步长调谐”，并结合多级电导存内计算（CIM）加速嵌入式神经网络推理。在40纳米工艺芯片上，相比最先进的NDS加速器，该设计实现3.82-36.27倍速度提升，功耗降低11.75-24.73倍；与NVIDIA A100 GPU相比，端到端脑皮层重建任务加速50-478倍。该工作展示了利用器件物理非理想性作为计算资源的全新范式。