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《Nature | 将头部方向信号转换为面向目标的转向命令》

  • 来源专题：战略生物资源
  • 编译者： 李康音
  • 发布时间：2024-02-08

  • 2024年2月7日，哈佛医学院的研究人员在Nature在线发表题为Transforming a head direction signal into a goal-oriented steering command的文章。

    为了导航，我们必须不断估计我们前进的方向，我们必须纠正与目标的偏差。方向估计是通过头部方向系统中的环形吸引子网络完成的。然而，我们并不完全理解方向感是如何被用来指导行动的。果蝇连接组分析揭示了将头部方向系统连接到运动系统的三种细胞群（PFL3R、PFL3L 和 PFL2）。

    该研究在导航过程中使用成像、电生理学和化学遗传学刺激来展示这些种群的功能。每个种群都会收到头部方向矢量的偏移副本，使得它们的三个参考系相对于彼此偏移约 120°。然后，每种细胞类型将自己的头部方向向量与共同的目标向量进行比较;具体来说，它通过非线性变换来评估这些向量的全等性。然后将所有三个细胞群的输出组合在一起以生成运动命令。当苍蝇朝向其目标的左侧时，PFL3R细胞被募集，并且它们的活动驱动向右转;PFL3L 的情况正好相反。同时，PFL2细胞提高转向速度，并在苍蝇远离其目标时被招募。随着方向误差的增加，PFL2 单元自适应地增加转向强度，有效地管理速度和精度之间的权衡。

    总之，该研究结果显示了如何通过从以世界为中心的坐标到以身体为中心的坐标的转换，将大脑中的空间图与内部目标相结合，以生成动作命令。

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    • 2024年2月7日，洛克菲勒大学的研究人员在Nature在线发表题为Converting an allocentric goal into an egocentric steering signal的文章。 与空间导航相关的神经元信号已在许多物种中描述。然而，缺乏对这些信号如何相互作用以指导导航行为的电路级理解。 该研究表征了果蝇中枢复合体中的神经元回路，该回路比较了内部生成的对苍蝇航向角和目标角的估计值——两者都以世界为中心（同种异体）坐标编码——以生成以身体为中心（以自我为中心）的转向信号。过去的研究表明，EPG神经元的活动代表了苍蝇在导航过程中的瞬间角方向或航向角。然而，动物的瞬间航向角并不总是与其目标角对齐，即它希望前进的同种异体方向。 研究人员描述了FC2细胞，这是果蝇大脑中的第二组神经元，其活动与果蝇的目标角度相关。FC2神经元的局灶性光遗传学激活诱导果蝇在向前行走时沿着实验者定义的方向定向。EPG 和 FC2 神经元单突触连接到第三类神经元，即 PFL3 细胞。研究人员发现，在目标导向导航期间，单个 PFL3 细胞对航向角和目标角都表现出结合的尖峰率调整。根据这三个细胞类别的解剖学和生理学，研究人员开发了一个模型，解释了该电路如何比较同种异体航向角和目标角，以在 PFL3 输出端子中构建以自我为中心的转向信号。PFL3活性的定量分析和光遗传学操作支持该模型。最后，使用新的导航记忆任务，研究人员表明，在PFL3细胞的子集中表达突触传递干扰物的果蝇沿任意目标方向定向的能力降低，其效应大小与模型的预测定量一致。这里描述的生物回路揭示了如何在大脑中比较两个群体水平的同种异体中心信号，以产生适合运动控制的以自我为中心的输出信号。
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  • 《IRENA发布面向2050的新版能源转型路线图》
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    • 4月9日，国际可再生能源机构（IRENA）发布2019年版《全球能源转型：2050年路线图》 指出，尽管全球能源转型已经取得了一定的进展，但转型速度仍然较慢，难以满足《巴黎气候协定》中承诺的能源结构低碳化以及减缓气候变化的目标。若要实现既定的承诺目标，意味到2050年可再生能源需求至少要提升六倍，全球能源相关碳排放需减少70%。可再生能源发电与深度电气化结合可满足上述目标的60%，加上直接使用可再生能源可满足75%，如果考虑提升能效则可满足90%。报告认为，可再生能源、能效和电气化是能源转型的三大基石，针对当前的能源转型提出了六大战略建议。报告主要内容如下： 1、要实现平均温升控制在2℃以内的目标，全球需要加速能源系统转型进程 过去几年中，能源部门已经出现了一些可喜的变化，全球新增装机容量中可再生能源占主导地位，交通电气化速度加快，电池等关键技术成本正迅速降低。然而，高能耗行业尤其是建筑和工业领域，可再生能源的部署仍远低于所需水平，能效提升仍然滞后。过去五年，能源相关碳排放量平均每年增加1.3%，全球能源系统需加速转型才能实现气候目标。结构和模式的变化在提升能效方面能够发挥关键作用，如交通模式中共享交通和公共交通的普及，工业领域采用循环经济和向可再生能源丰富的地区迁移。 2、可再生能源、能效和电气化是实现碳减排的主要力量 到2050年全球能源相关碳排放量需减少70%，其中可再生能源、能效和电气化的贡献超过90%（图1）。可再生能源在能源结构中的占比需从2016年的17%提升至2050年的66%，但以现行和计划的政策推测到2050年这一比例只能提升至25%。能效也需大幅提高，其提升速度需从现在的年均增长2%提高至年均增长3.2%。到2050年电力在能源供应中占比将从当前的20%增长至50%，电力消耗总量将是现在的2倍，可再生能源发电将占电力供应的86%。生物能源将在难以电气化的行业中发挥作用，如船运、航空及某些工业过程。 图1 到2050年能源相关碳排放量 （单位：十亿吨/年） 3、能源低碳技术投资仍需加大 要实现全球能源系统的低碳转型，到2050年前需将能源部门的累计投资增加16%，从95万亿美元提升至110万亿美元，年均投资约为全球GDP的2%，低于去年的预测（120万亿美元），其主要原因是可再生能源成本迅速下降以及电气化解决方案越来越经济高效。投资构成也应发生变化，从化石燃料转向能效、可再生能源和相应的基础设施。如果按照现行计划或者政策来发展，预计到2050年能源部门的补贴将从2015年的6050亿美元增加至8500亿美元以上。但通过发展可再生能源、深度电气化和提升能效，将使其降至4700亿美元。加上由于降低碳排放所节约的环境和健康成本，总计节约的金额将会是到2050年期间新增能源投资的3至7倍。 4、应综合考虑能源转型与社会经济之间的关系 为了保证能源系统成功转型，政府的政策必须建立在综合评估不断变化的能源部门与社会经济之间相互作用的基础上。能源系统的变化会影响整个经济体系，到2050年，可再生能源、能效和电气化导致的能源转型将使全球GDP增加2.5%，并使整体就业增加0.2%，而且能够提高全球福祉水平。 5、政策框架在很大程度上影响能源转型的社会经济效益 政策投入会对能源转型的社会经济效益产生很大影响，如碳税和化石燃料补贴等。碳税的影响取决于其政策框架，其分配公平性是推动能源转型成功的关键。 6、全面的就业政策能够为能源转型做出积极贡献 能源转型（可再生能源发电、能效及能源灵活性）新增的岗位将明显超过减少使用化石燃料而失去的岗位。能源部门新增和减少的就业在时间和空间的分布不均匀，因此可能导致其他部门的就业岗位减少，需要全面的政策框架以解决这一不匹配问题，确保能源转型的顺利进行。 7、社会经济结构的公平公正有助于扫清能源转型障碍 在所有地区采取措施推动能源转型能够减少气候损害，相关的投资可以产生社会和经济效益。另外，需消除低收入国家的负面影响才能使转型获得成功。 基于上述分析，报告为决策者提出了六大行动建议： （1）电力部门需要进行转型以适应不断提高的可再生能源份额。通过灵活供应、输配电、储能、需求响应、Power-to-X（电力转化为其他能源载体，如氢、甲烷）、电动汽车等技术，开发高度灵活的电力系统，并与灵活运行相结合。需要更好的市场信号使灵活性资源能够发挥作用，如采用实时可变定价和缩短交易间隔，以应对波动性可再生能源。需重新设计电力市场以确保为含有高比例波动性可再生能源的系统提供最佳投资，并实现部门融合。 （2）数字化是推动能源转型的关键因素。将人工智能、物联网、区块链等数字技术用于电力系统，通过智能电表、数字网络和互联设备可增强电力系统灵活性以容纳更多可再生能源，推动能源转型。 （3）加速交通和供暖电气化对于下一阶段的能源转型至关重要。支持电动汽车充电基础设施建设；推广替代取暖技术，如工业和建筑中采用热泵供暖；将电力系统与终端用户联系起来，如电动汽车智能充电提高电力系统灵活性，有助于集成波动性可再生能源。 （4）可再生能源发电制氢有助于减少化石燃料的使用。需制定全面政策鼓励在整个供应链（设备生产商、基础设施运营商和汽车制造商等）中对氢能的私人投资；需要具体工具降低基础设施投资风险并改善供应链的经济性；在上游实施可再生电力制氢认证以推动发展可再生电力制氢。 （5）供应链是满足不断增长的可持续生物能需求的关键。在不占用雨林并保证粮食供应的前提下，在现有农田和草地上经济有效地生产生物能源的潜力巨大。生产即用型生物质残留物的工业（如造纸、木材加工和食品行业）是转型的基础。生物燃料可能是未来几年航空、海运和长途公路运输等行业实现脱碳的主要甚至唯一选择，应制定针对性政策促进先进生物燃料及其供应链发展。 （6）全球能源系统脱碳立即采取政策行动。决策者应制定能源长期战略规划，确定目标并调整实现脱碳能源系统的政策和法规；需协调能源和气候政策，制定考虑气候和能源需求的能源转型长期战略；政策应为投资创造合适条件，包括对能效、可再生能源以及对电网、电动汽车充电、储能、智能电表等关键基础设施的投资；政策应保证公共和私营部门的密切合作；应建立监管环境促进系统创新，通过数字化技术实现智能能源系统，通过深度电气化促进部门融合。
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