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Complexity Express 一周论文精选




以下是2022年1月17日-2022年1月23日来自Complexity Express的复杂性科学论文精选。如果Complexity Express列表中有你感兴趣的论文，欢迎点赞推荐，我们会优先组织解读~

目录：

1. 约束性互惠合作限制进化能力

2. 在连续动作空间中学习以开发高维势能模型

3. 黄胸散白蚁的基因组和转录组分析：基因重复促进社会进化

4. 在自然多样性的背景下识别噬菌体-细菌相互作用的结构

5. 混合细胞去卷积的进展使空间转录数据中细胞类型的定量化成为可能

6. 26个国家的阴谋心态和政治倾向

7. 眼内侧视野网络对视空间注意自主分配的贡献

1.约束性互惠合作限制进化能力


论文题目：Obligate mutualistic cooperation limits evolvability
期刊来源：Nature Communications
论文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27630-9


合作互惠现象广泛存在于众多生态系统，并在其中中发挥着重要作用。可将生态系统中个体的相互作用理解为约束，个体的适应性不仅取决于编码在基因组中的信息，还取决于其互动同伴的特征和能力。因此，一个重要的研究问题是，作为约束的合作互惠如何影响生物体的能力，以适应不断变化的环境条件。在这里，我们通过大肠杆菌两种缺陷基因型之间的互惠合作——相互交换珍贵的氨基酸——来解决此问题。将该菌种置于两种实验条件：供给氨基酸且单一培育，和不供给氨基酸且共同培育；并均将其暴露于逐步增加浓度的不同抗生素下。该选择实验表明，代谢上相互依赖的细菌通常比自主生长的细菌更不能适应环境压力。此外，强制合作型互惠主义者经常重新获得代谢自主权，导致互惠互利关系崩溃。总之，我们的研究结果表明，有限的进化能力是一个重要的进化成本，个体必须为加入强制性互惠合作付出代价。

图1. 进化实验的设计



2.在连续动作空间中学习

以开发高维势能模型


论文题目：Learning in continuous action space for developing high dimensional potential energy models
期刊来源：Nature Communications
论文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27849-6


强化学习能够将树状探索和深度学习相结合，从而有效探索大而离散的动作空间，比如在象棋及围棋中。现实世界中，材料发现和应用设计也都涉及到探索高维空间及学习连续动作空间的问题，探索材料的高维势能模型即为典型案例。传统上，此类探索极其耗时（单个系统的探索通常需要数年时间） ，其最初的驱动力为人类直觉及专业知识，近年来全局/局部优化探索的进展则成为其新的推动力。传统方法要么存在收敛性问题，要么不能与所探索的维数相匹配。不同于基于离散动作或梯度的方法，该研究引入了一种基于决策树的强化学习策略。该方案结合了改进的奖励函数，高效的抽样以及“窗口缩放方案”（window scaling scheme），从而有效且可变地探索动作空间。使用高维人工景观和强化学习控制问题，我们将该方法与作为基线的全局优化方案及最前沿的梯度下降法，在标准数据集上分别进行了对比。我们证明该方法能够有效参数化合金以及元素周期表中54个元素系统等势能模型（基于物理和高维神经网络）。我们分析了隐空间中不同元素展现偏差的趋势，并从结构的多样性和元素能量景观的平滑性来追踪偏差的来源。广泛而言，该强化学习策略将适用于众多涉及探索连续动作空间的物理学问题。

图1. 将探索连续动作空间的算法应用于高维势能参数曲面探索。

 

3.黄胸散白蚁的基因组和转录组

分析：基因重复促进社会进化


论文题目：Genomic and transcriptomic analyses of the subterranean termite Reticulitermes speratus: Gene duplication facilitates social evolution
期刊来源：PNAS
论文地址：https://www.pnas.org/content/119/3/e2110361119


白蚁是典型的具备等级制的社会生物。地下白蚁（鼻白蚁科）在生态和经济上是重要的物种，也是具备破坏性的害虫。鼻白蚁科在白蚁亚科中占有重要的进化位置，是介于高等白蚁科和低等白蚁科之间的过渡类群。在这里，我们报告日本地下白蚁黄胸散白蚁（Reticulitermes speratus）的基因组、转录组和甲基组。我们的分析强调了基因重复在白蚁社会进化中的重要性。有等级偏向的基因表达，其基因重复在黄胸散白蚁的基因组中普遍存在。这些重复的基因与各种社会功能相关，包括脂蛋白酶（化学通讯）、纤维素酶（木材消化和社会互动）、溶菌酶（社会免疫）、香叶基香叶基焦磷酸合成酶（社会防御） ，以及一类新的具有未知功能的白蚁谱系特异基因。大量的基因在基因组中重复出现，但是它们的表达模式变化很大，带有等级偏向。部分测定的重复基因表达于与等级相关的器官，如蚁后卵巢的附腺和兵蚁头部的额腺。我们认为，基因重复通过调控的多样化促进社会进化，形成带有等级偏向的表达和亚功能化，以及/或者等级相关功能的新功能化。

图1. 黄胸散白蚁的系统发育位置、发育途径及其基因库和基因组结构的进化。



4.在自然多样性的背景下

识别噬菌体-细菌相互作用的结构


论文题目：Resolving the structure of phage–bacteria interactions in the context of natural diversity
期刊来源：Nature Communications
论文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27583-z


微生物群落受到病毒捕食者的塑造。然而，在微生物多样性维持自然水平时，辨别哪些病毒（噬菌体）和细菌在相互作用是极其困难的。因此，野外环境中噬菌体-细菌相互作用的结构和演化的基本特征仍然很难解释。本研究利用隔离环境中大规模的海洋弧菌及其噬菌体来获得菌株级噬菌体捕食载荷的估计值，并利用全部的宿主范围测定来发现噬菌体与宿主基因组多样性间的相互作用。结果表明，溶菌相互作用在环境相互作用网络（琼脂覆层中所观察到）中是稀疏的，并且噬菌体捕食载荷较低，噬菌体具有宿主-菌株特异性。矛盾的是，我们还发现，虽然侵袭细菌的重叠通常很少发生在有尾噬菌体之间，但重组却很常见。这些结果表明，隐性共感染期的重组是微生物群落中噬菌体进化的一个重要模式。在噬菌体用于生物工程和治疗学的发展过程中，重要的是要考虑所引入的噬菌体的核酸可能通过重组扩散到原有噬菌体种群中，而且根据溶菌宿主范围不能预测转移的可能性。

图1. 隐性共感染模型使稀疏的重叠侵袭与常见的重组相容。


5.混合细胞去卷积的进展

使空间转录数据中细胞类型的定量化

成为可能


论文题目：Advances in mixed cell deconvolution enable quantification of cell types in spatial transcriptomic data
期刊来源：Nature Communications
论文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28020-5


明确组织中的细胞类型是空间生物学的中心问题，但是细胞类型的丰度很难从空间转录组数据中提取。我们通过对特定空间范围内的单细胞表达量测序，提出了一种对细胞类型进行量化的算法 SpatialDecon。利用对数正态回归和背景噪声的建模，该算法在基因表达去卷积上优于经典的最小二乘法。我们为75种组织类型编制了细胞剖面矩阵；鉴定了癌细胞的最小表达量，使其适合于对肿瘤组织中的免疫细胞去卷积；使用肺肿瘤数据，创建了一个可用于去卷积方法与标记蛋白质识别的标准测试集。SpatialDecon 是一个简单而灵活的工具，能根据空间基因表达量估计不同细胞类型的丰度，其估计结果在空间上呈现差异性、粒状，与多元基因表达数据相匹配。

图1. 算法的流程概述及空间去卷积算法的优势


6.26个国家的阴谋心态和政治倾向


论文题目：Conspiracy mentality and political orientation across 26 countries
期刊来源：Nature Human Behaviour
论文地址：https://www.nature.com/articles/s41562-021-01258-7

人们认同阴谋论（即阴谋心理）的一般倾向是不同的。以往研究对阴谋心理和政治倾向间的关系有着不一致的发现，有些显示政治右翼内部（线性关系）存在更大的阴谋心理，有些则显示是极端左翼和右翼之间（曲线关系）。我们在26个国家进行的两项研究（共计 N = 104253 样本）重新审视了这一关系，并发现了线性和二次关系的总体证据，尽管各国之间的关系很小且异质。我们还观察到反对党选民（即被剥夺政治控制权的选民）对阴谋心态的支持更强。然而即使当政治控制剥夺改变时，政治取向的二次效应仍然显著。我们由此得出的结论是，阴谋心态与极端左翼、特别是极端右翼的信仰有关，这种非线性关系可能会因剥夺政治控制而得到加强，但不会减少。

图1. 在两项研究的多层次模型中，所有样本的政治倾向和阴谋心理均存在线性关系（95%置信区间）（控制二次关系）。


图2. 在两项研究的多水平模型中，所有样本的政治倾向和阴谋心理的二次关系（95%置信区间）均为独立的。



7.眼内侧视野网络

对视空间注意自主分配的贡献


论文题目：Contribution of the medial eye field network to the voluntary deployment of visuospatial attention
期刊来源：Nature Communications
论文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28030-3


对空间忽略患者的历史研究为空间注意的神经基础提供了根本洞见。然而，在建立背内侧轴上联合网络的潜在作用方面，病变的标测研究一直未能成功，这主要是因为它们不是血管损伤的常见靶点。本文将基于机器学习建立病变与症状映射、断线分析和基于128例轮廓清晰的手术切除患者的纵向行为数据分析相结合。结果表明，在辅助眼区与扣带回眼区的位置进行手术切除，并扰乱背内侧的纤维网络时，视觉探索任务（即视觉运动探索性忽略）表现严重下降，而在探测忽略的知觉成分的任务中表现良好。

图1.病变叠合图。本研究中包括的 128 名患者的 （a）术前肿瘤和 （b） 手术腔的密度叠合图。在图中，只显示影响至少三名患者的体素（SVR-LSM 分析的阈值参见“方法”部分）。条形图表示病变密度。肿瘤图（n = 52）和切除腔图（n = 38）的最大重叠在岛叶。从图中也能看出辅助眼区 （SEF） 和扣带回眼区 （CEF） 的相对位置。为了方便显示，在手术前，对16 名患者的这两个区域被或多或少地浸润，并对 18 名患者进一步更少的切除了这两个区域。图中，AG（angular gyrus）表示角回、FEF（frontal eye field） 表示额叶眼区、IFG（inferior frontal gyrus）表示额下回、PreC（precuneus）表示楔前叶、Pre-SMA（pre-supplementary motor area）表示前补充运动区、SFG（superior frontal gyrus）表示额上回、TP（temporal pole）表示颞极。





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