1.中国科学院理化所在飞秒激光无掩膜光刻拓扑结构及细胞球浸润机制方面获进展
2.复旦大学开发出超快双极性闪存器件，实现自激活存算一体技术
3.东南大学在神经元自动追踪算法基准测试与性能预测方面取得重要研究进展
4.清华大学在自准直SPECT高分辨率成像研究领域取得新进展
5.中国科学院西安光机所在超短激光脉冲光场测量方面获进展
1、中国科学院理化所在飞秒激光无掩膜光刻拓扑结构及细胞球浸润机制方面获进展
随着组织工程领域的发展，生物材料界面与细胞的相互作用及物理机制成为研究热点。生物界面的拓扑形貌可有效调控细胞行为并影响细胞功能。而体内的一些生理过程如胚胎发育、免疫应答以及组织更新与重塑等往往涉及多细胞的集体行为。肿瘤的侵袭和转移也与集体细胞的协调运动有关。细胞球作为一种体外三维细胞培养模型，具有强烈的细胞-细胞相互作用，可在细胞生理学、信号通路、基因和蛋白表达以及气体/营养物质梯度等方面更好地模拟体内环境。因此，明确材料表面拓扑结构与细胞球的相互作用对探究体内生理、病理机制具有重要意义。然而，当前同时具有厘米级尺度和微纳米精度的跨尺度微纳拓扑结构尚难以快速制备。
近日，中国科学院理化技术研究所仿生智能界面科学中心有机纳米光子学实验室研究员郑美玲团队在跨尺度微纳拓扑结构制备及细胞球浸润性调控方面取得了新进展。该团队提出采用飞秒激光无掩膜投影光刻技术（MOPL）制备大面积兼具高精度的微盘阵列拓扑结构以研究细胞球的浸润性。该研究发现细胞球在多种不同单元直径的微盘阵列拓扑结构上展示出不同的浸润速度。研究通过分析细胞形态、骨架分布和细胞黏附，解析了细胞球浸润速度的变化机制，并发现了细胞球在大尺寸和小尺寸的微盘结构单元上采取不同的浸润模式。该研究揭示了细胞球对跨尺度微纳拓扑结构的响应机制，为探讨组织浸润行为提供了参考。
MOPL是一种高效率且能灵活化地制备微纳拓扑结构的技术。考虑到单个细胞的尺寸以及细胞球浸润过程中与大面积拓扑结构的相互作用，该工作利用MOPL技术制备了高度低于1μm，且拓扑单元直径分别为2、5、20和50 μm的大面积（8 mm × 10 mm）微盘阵列结构（图1）。
该研究采用超低吸附法制备了大小均一的人肾透明细胞癌细胞的细胞球。进一步，科研人员利用激光扫描共聚焦荧光显微镜，观察细胞球在微盘阵列拓扑结构上的动态浸润行为。细胞球在一系列微盘阵列拓扑结构上发生了完全浸润并展现出不同的浸润面积。结合细胞球铺展理论，通过量化不同时间点的细胞球浸润面积，研究发现细胞球的浸润速度在2、5、50和20 μm直径的微盘结构单元上依次减小，且细胞球在直径为20 μm的微盘结构单元上具有较小的细胞-基底黏附能（图2）。
进一步地，研究人员利用免疫荧光染色分析了多种不同微盘结构上的细胞形态、肌动蛋白和黏着斑分布，提出了细胞球在直径2μm和5 μm的小尺寸的微盘结构上采取攀爬模式浸润以及在直径20μm和50 μm的较大尺寸的微盘结构上采取绕行模式浸润（图3）。细胞球的浸润过程表现为一种多细胞的集体协调运动。
该研究揭示了细胞球在各向同性微盘阵列拓扑结构表面的浸润机制，深化了对于细胞球与界面拓扑结构相互作用的认知。本工作是飞秒激光面投影纳米光刻技术及应用的拓展。相关研究成果发表在Small上。研究工作得到国家重点研发计划“纳米科技”重点专项、国家自然科学面上基金项目和中科院国际伙伴计划等的支持。
图1.飞秒激光无掩膜投影光刻示意图及制备的微盘阵列拓扑结构
图2.细胞球在多种拓扑结构上的动态浸润过程与分析
图3.细胞球的攀爬浸润和绕行浸润模式解析
（来源：中国科学院）
2、复旦大学开发出超快双极性闪存器件，实现自激活存算一体技术
由非易失性存储器构成的交叉阵列利用物理定律的原位计算来实现高能效神经网络是打破传统的冯诺依曼架构计算瓶颈的关键路径。然而，目前所有存储体系的阵列计算结果需要利用大量外围电路进行激活后才能有效执行运算任务，增加了系统功耗，成为了存算一体技术进入产业化的主要挑战。如果利用新型电子器件本身即可实现运算结果激活，不但大幅降低功耗解决瓶颈问题，并有利于减少资源使用，将对发展更高效率更通用的新型计算技术具有重要意义。
针对这一关键问题，集成芯片与系统全国重点实验室、复旦大学微电子学院周鹏教授、芯片与系统前沿技术研究院刘春森研究员创造性地开发出超快双极性闪存器件，并实现了自激活存算一体技术。该成果利用团队前期提出的范德华异质结超快闪存的三大要素新机理，引入双极性二维半导体作为沟道，成功实现了高鲁棒性超快双极性闪存。通过对存储双极性行为的逻辑调控，实现了乘法累加操作同时完成非线性自激活输出，显著降低外围电路复杂度和能耗。
北京时间2023年3月21日，相关成果以《用于自激活存内计算的超快双极性闪存》（“An ultrafast bipolar flash memory for self-activated in-memory computing”）为题发表于国际顶尖期刊《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology）。
复旦大学研究团队将新型双极性二维原子晶体集成进广泛应用的电荷俘获型闪存器件中，实现了双极性闪存性能上的突破。其编程速度可达20纳秒，寿命高达八百万次，均比硅基闪存器件提高了将近三个数量级，展现出优越的存储性能。
研究团队利用二维半导体的双极性能带调控的特性，通过擦写电荷俘获层中的电子或空穴，控制形成p型/n型沟道的特性切换。栅电压和存储俘获电荷的极性共同调制了沟道的开关行为，完成阵列乘积计算提升并行度。同时，并联器件的电流输出通过基尔霍夫定律同步实现了累加计算，大幅提高了计算效率。栅电压和存储电荷的极性匹配过程决定了计算结果的非线性激活输出，省略了冗余的外部激活过程并显著降低了由此产生的资源需求。该器件在不同的神经网络结构下对比验证得出高准确度，证明了自激活存算技术的高效性。
目前，利用大规模二维材料高质量生长和集成技术，基于更大尺寸的晶圆级存储阵列正在研发中，采用协同优化方法实现组合模块系统级开发制造，该技术将满足低功耗高算力发展需求。
相关工作得到了科技部重点研发计划、基金委重要领军人才计划、上海市基础特区计划、上海市启明星等项目的资助，以及教育部创新平台的支持。
图：超快双极性闪存器件实现存算自激活过程示意与仿真算法验证
（来源：复旦大学）
3、东南大学在神经元自动追踪算法基准测试与性能预测方面取得重要研究进展
近日，东南大学脑科学与智能技术研究院在神经元自动追踪算法基准测试与性能预测方面取得重要研究进展，相关成果以“BigNeuron: A resource to benchmark and predict performance of algorithms for automated tracing of neurons in light microscopy datasets”为题，在线发表于国际方法学顶级期刊“Nature Methods”。该文章是东南大学脑智院院长彭汉川教授发起的BigNeuron项目的主要成果论文。成果由东南大学脑科学与智能技术研究院主导，全球多家著名机构参与，包括美国艾伦脑科学研究所、霍华德·休斯医学研究所、惠康基金会、INCF、橡树岭国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室、剑桥大学、伦敦帝国理工学院、华盛顿大学、密歇根大学、日本东京大学、腾讯等。
神经元形态解析对认识脑、保护脑、模拟脑至关重要，高通量地重建神经元形态是形态解析的关键前提。近年来，多个神经元全自动重建算法应运而生。然而不同标记方法、样本制备和成像方式导致成像质量参差不齐，不同算法对不同类型图像的重建效果差异明显，此外，用于基准测试的标准图像数据集多样性也很有限。因此，理解目前现有自动重建算法的性能以及它们如何与不同图像数据集的特定特征相匹配、测试它们对特定任务的适用性仍是当前的一个重要挑战。目前，中国脑计划、欧洲脑计划、美国脑计划等大型项目都非常需要这样的工具。
针对以上挑战，研究团队发起BigNeuron项目。BigNeuron项目的目标是生成一个巨大的基准测试矩阵，通过使用最强大的超级计算设备和多功能计算资源，在里面对大量可公开访问的不同物种、不同脑区、不同样本制备方法和成像模式的神经元图像进行所有主要的神经元重建算法测验。BigNeuron方法产生了极其宝贵的知识，并对当前世界领先实验室使用的自动算法的性能产生了前所未有的理解。在构建技术平台并进行数据收集以及跨多个计算平台进行基准测试的阶段中，研究团队生成了超过 140 万个神经元重建结果，形成了迄今为止最大的已知神经元重建基准测试数据集。在社区分析阶段，研究团队继续与世界各地的许多实验室合作，开发了一个在线的、开放访问的平台，用于对庞大的数据资源进行交互式分析。此外，BigNeuron 项目还激发了 250 多篇出版物以及近期大脑研究中的几个重大科学项目，例如美国 BRAIN 计划的形态测量和细胞分型项目。
东南大学脑科学与智能技术研究院Linus Manubens-Gil为文章的共同第一作者，东南大学为文章第一单位和通讯单位。（来源：东南大学）
4、清华大学在自准直SPECT高分辨率成像研究领域取得新进展
单光子发射断层成像（SPECT）属于临床四大影像诊断技术之一的核医学影像技术，广泛应用于肿瘤、心血管、神经、内分泌等重大疾病诊断。然而，多年来，SPECT空间分辨率和探测效率严重受限于机械准直器，其成像空间分辨率（临床SPECT分辨率约为1cm）显著落后于其他影像技术。
为此，清华大学工物系团队提出“用探测器做准直器”的创新自准直成像方法，通过使用多层稀疏探测器进行光子准直，解决机械准直器造成光子大量损失的技术瓶颈问题，从而显著提升SPECT空间分辨率和探测效率。该团队2021年在《IEEE医学成像汇刊》（IEEE Transactions on Medical Imaging）上发表了首篇研究论文，提出了自准直成像的概念并验证了自准直SPECT可大幅度提升分辨率和探测效率。
然而，自准直SPECT的准直机理和系统结构与传统SPECT截然不同，因此经典的SPECT分辨率分析方法不再适用，自准直SPECT的高分辨率形成机制尚未明确。该团队的一项最新研究于4月10日发表在《IEEE医学成像汇刊》（IEEE Transactions on Medical Imaging）上，题为“自准直SPECT的投影概率密度函数和采样增强的特性和评估”（Characterization and assessment of projection probability density function and enhanced sampling in self-collimation SPECT），提出了SPECT分辨率分析方法，阐述了SPECT投影概率密度函数（projection probability density function, PPDF）特性和空间采样特性对分辨率的影响规律和作用机理，并应用于自准直SPECT成像性能分析。
针孔SPECT和自准直SPECT的投影概率密度函数（PPDF）示意图
在经典教科书中，SPECT空间分辨率通常定义为PPDF的半高宽（full width at half maximum, FWHM）。然而，本研究表明，PPDF的FWHM并非决定分辨率的唯一因素。通过分析具有特定PPDF的概念性成像系统，研究发现成像系统的空间分辨率同时取决于PPDF的宽度（以FWHM衡量）、边沿陡峭程度（以边沿梯度衡量）和空间采样密度。当PPDF的FWHM更小、边沿梯度更大、空间采样密度更高时，成像系统的空间分辨率更好。通过对比针孔机械准直SPECT和自准直SPECT表明，自准直SPECT的大部分投影概率密度函数具有更小的FWHM和更大的边沿梯度。结合增强采样的数据采集方案，空间分辨率能够得到显著提升。
基于概念成像系统的SPECT分辨率（以冲击响应函数幅值定量表示）特性分析
该研究既是对SPECT成像理论的进一步完善，也是对高分辨率SPECT系统的设计指导。理论计算性能评估和模拟实验图像重建的结果表明，该研究设计的一种自准直小动物SPECT系统在相同成像条件下，其成像性能显著优于多针孔SPECT。
理论计算和模拟实验表明自准直SPECT在相同成像条件下性能显著优于多针孔SPECT
论文第一作者为清华大学工物系2020级博士生张德斌，论文通讯作者为清华大学工物系马天予副教授。美国纽约州立大学布法罗分校的姚如涛（Rutao Yao）教授对研究方案设计作出了重要贡献。论文共同作者还包括清华大学核医学团队的工物系刘亚强研究员和清华长庚医院何作祥教授。研究得到国家自然基金、北京市自然科学基金、清华大学自主科研计划、清华大学精准医学研究院等的资助。（来源：清华大学）
5、中国科学院西安光机所在超短激光脉冲光场测量方面获进展
近日，中国科学院西安光学精密机械研究所阿秒科学与技术研究中心在超短激光脉冲光场测量方面取得重要进展。该团队创新性地提出了基于微扰的三阶非线性过程全光采样方法。该方法的可测量脉冲脉宽短至亚周期，波段覆盖深紫外到远红外，具有系统结构简易稳定、数据处理简单等优点。相关成果相继发表在《光学快报》（Optics Letters）上。论文第一作者为特别研究助理黄沛和博士生袁浩，通讯作者为曹华保研究员、付玉喜研究员。
超短激光脉冲作为探索物质微观世界以及产生阿秒脉冲的重要工具，其完整的电场波形诊断尤为重要。当前普遍采用的表征技术广义上可分为频域测量、时域测量。在频域，有频率分辨光学门控（FROG）、光谱相位干涉法 (SPIDER)和色散扫描（D-SCAN）等主要方法，通过测量非线性过程产生的光谱信息来间接获取超短脉冲脉宽及相位。此类方法因装置简单、易于搭建而被广泛采用，但通常需要复杂的反演迭代算法，难以获得光电场信息，且受限于相位匹配机制，较难应用于倍频程以上的激光脉冲测量。
而基于时域采样的测量方法通常不受严格的相位匹配限制，并对电场波形较为敏感，可用于直接测量光电场，近年来发展势头较好。该研究提出基于微扰三阶非线性过程的全光采样方法是一种基于时域采样的测量方法，在实验中分别应用瞬态光栅效应（TGP）和空气三倍频效应（Air-THG），准确的测量了钛宝石激光器输出多周期脉冲（750-850nm，25fs）、基于充气空心光纤后压缩技术（600-1000nm，7.2fs）和双啁啾光参量放大系统（1300-2200nm，15fs）产生的少周期脉冲，实现了覆盖可见、近红外到中红外波段的超短脉冲测量，可以满足不同波段超短脉冲测量的需求。
未来，这一进展可在阿秒驱动源快速诊断、超短激光脉冲测量装置国产化等方面发挥重要作用。
图1.实验装置示意图
图2.可见波段周期量级脉冲测量结果
图3.中红外波段周期量级脉冲测量结果（来源：中国科学院）
