生理科学进展

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编者按

编者按——人工智能与生物医学

赵东宇, 王宪

2025, 56(3): 199-201. https://doi.org/10.20059/j.cnki.pps.2025.04.1106·

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,人工智能与生物医学的深度融合正在重塑科学研究与临床医疗的实践方法。单细胞转录组与空间转录组的人工智能算法为细胞异质性研究提供了高分辨率视角;生物大模型的构建则为系统生物学注入了新的活力;蛋白质相关人工智能算法的突破性进展,正在加速药物研发与疾病机制解析;而心血管疾病领域的智能化应用更是为临床诊疗带来了切实的变革。尽管如此,这一领域的快速发展也伴随着数据质量、算法可解释性及伦理规范等多重挑战。未来,随着技术的持续迭代与跨学科协作的深化,人工智能有望成为生物医学研究的核心驱动力,助力精准医学迈向新的高度。我们期待本专题能为这一领域的研究者提供启发,共同探索人工智能与生物医学融合的无限可能。（全文请点击PDF链接至知网阅读）

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特约综述

“人工智能与生物医学”专题特约综述：AlphaFold时代的蛋白质相关人工智能算法及其应用

孙雨楠, 叶川, 赵东宇

2025, 56(3): 202-209. https://doi.org/10.20059/j.cnki.pps.2025.02.1006

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蛋白质是生命活动的物质基础。蛋白质的功能取决于其空间结构,因此解析蛋白质的空间结构对于理解其功能至关重要。人工智能(artificial intelligence, AI)模型的利用极大地推进了蛋白质空间结构预测算法的开发,AlphaFold2是该领域里程碑式的成果,使得快速、准确且大规模的蛋白质空间结构预测成为可能。此外,蛋白质语言模型、蛋白质相互作用预测以及蛋白质设计等领域均在AlphaFold时代迎来快速发展,代表性的模型包括ESM2、ScanNet、RFdiffusion和RoseTTAFold-All Atom 等。这些基于人工智能的新算法的开发极大地促进了蛋白质功能、诱发疾病的机制和药物设计等领域的研究。

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特约综述

“人工智能与生物医学”专题特约综述：人工智能在心血管疾病领域的应用

江昊, 王由甲, 金晶, 梁华敏, 何西淼

2025, 56(3): 210-218. https://doi.org/10.20059/j.cnki.pps.2025.03.1007

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心血管疾病(cardiovascular diseases)是我国城乡居民的首要死亡原因,其特征表现为病程漫长、症状多样及致病因素复杂,给心血管疾病的诊断与管理带来了诸多挑战。近年来, 人工智能(artificial intelligence, AI)技术的迅猛发展为心血管疾病的早期健康管理与疾病预测提供了前所未有的机遇。通过对大量健康数据进行深度学习与智能分析,AI技术能够精准识别心血管疾病潜在风险,并助力实现个性化健康管理,有效降低疾病发生率及延缓疾病进展。AI技术的应用促进了心血管疾病早期健康监测与预防机制的完善,同时提高了临床影像学诊断及手术治疗的准确性和有效性。此外,AI技术亦被应用于生物大数据分析与新药研发。本文旨在综述AI技术在心血管疾病领域的应用现状,探讨其在提升心血管疾病诊断与治疗效率方面的潜力与挑战。AI将在心血管疾病的预防、诊断和治疗中扮演更加关键的角色,推动智慧医疗与精准医学的进步。

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特约综述

“人工智能与生物医学”专题特约综述：人工智能驱动的空间转录组数据分析方法:现状与展望

姚琪, 苏延池, 李向涛

2025, 56(3): 219-225. https://doi.org/10.20059/j.cnki.pps.2025.03.1005

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空间转录组学(spatial transcriptomics)在识别特定基因表达模式、发现新的细胞类型标志物,以及揭示细胞自组织和共协作方面发挥重要作用。本文系统分类并回顾了近年来基于人工智能理论和技术开发的空间转录组学数据分析方法,这些方法各有特点,适用于不同的研究场景。通过深入分析这些方法,本文提供一个全面的视角,以了解空间转录组学领域的前沿分析进展,并推动这些方法在生物医学研究中的应用,为解析复杂组织中细胞空间异质性和生态位提供工具支持。

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特约综述

“人工智能与生物医学”专题特约综述：深度学习在单细胞转录组学中的应用

王天宇, 高诗铠, 邵金凤, 赵永兵

2025, 56(3): 226-234. https://doi.org/10.20059/j.cnki.pps.2025.03.1008

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单细胞转录组测序(single-cell RNA sequencing)是一种在单细胞水平上对全基因组基因表达进行高通量测序的技术,能有效解析细胞群体异质性,目前广泛应用于发育、疾病等研究领域。由于单细胞转录组数据通常存在高噪声、高维度和高稀疏性等特征,传统分析方法在处理这些数据时存在明显局限性。近年来,以自编码器、生成对抗网络为代表的深度学习模型被广泛应用到单细胞转录组数据分析中,包括表达值插补、批次效应校正、数据降维、细胞聚类和细胞类型注释等,并展现了深度学习在单细胞转录组数据分析中的优越性。特别地,基于Transformer的深度学习大模型,通过自注意力机制学习基因间隐含依赖关系以及基因表达与细胞之间的关联,为单细胞转录组数据分析提供了新路径和发展方向,并为多模态组学整合分析提供了创新的解决方案和潜在的应用前景。

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特约综述

“人工智能与生物医学”专题特约综述：生物大模型技术前沿与应用进展

石金龙, 张哲, 戴安琳, 林恺, 何昆仑

2025, 56(3): 235-242. https://doi.org/10.20059/j.cnki.pps.2025.04.1009

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以基因、转录、蛋白质等生命组学为主体的生物大数据快速积累和以深度学习为代表的人工智能技术迅猛发展,催生出各种类别的生物大模型 (biological large models)。复杂的深度学习架构、巨大的参数量和算力需求、以及海量的预训练数据等是大模型技术的主要特征。预训练数据类别及参数量一定程度上决定了大模型所具备的能力强弱,而不同的模型架构则可支撑不同类别的下游任务。近两年,围绕 DNA/RNA/蛋白质等生物序列与单细胞表达图谱等组学数据分析挖掘、大分子结构预测、新型药物设计和功能机制解析等多种应用场景,涌现了多种通用或专用大模型, 展示出其在生物医学研究及转化应用等领域的巨大潜力。本文旨在结合不同类别的生物数据特点和研究应用需求, 概述生物数据特征及其用于生物大模型训练的技术方法, 并进一步综述现有大模型在生物医学研究及疾病诊疗中的应用进展, 为提升生物大模型能力、拓展应用范围提供新的思路。

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综述

长链非编码RNA 在非酒精性脂肪性肝病中作用机制的研究进展

孙宁, 徐玉善

2025, 56(3): 243-251. https://doi.org/10.20059/j.cnki.pps.2024.12.1202

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长链非编码RNA(long noncoding RNAs,lncRNAs)是一类长度超过 200 个核苷酸的不具有蛋白质编码功能的 RNA 分子,在转录后和表观遗传水平发挥调节作用。研究表明,lncRNAs 在糖脂代谢、肝脏组织纤维化、炎症反应、肿瘤的发生发展及肝细胞自噬等细胞功能中发挥着关键作用。非酒精性脂肪性肝病(nonalcoholic fatty liver disease,NAFLD)的发病机制越来越受到关注, 本文详细阐述了 lncRNA 与 NAFLD 发病机制的密切关系,预测lncRNA 作用的新靶点,为 NAFLD 的研究和防治提供研究基础和新思路。

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科研新闻

BNC2神经元———参与食欲与代谢稳态调控的下丘脑新型神经元

刘金博, 郑瑞茂

2025, 56(3): 251-251.

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下丘脑(hypothalamus)是食欲调控核心脑区。下丘脑调控食欲神经元的种类,目前已知有促进食欲的刺鼠相关肽(agouti-related protein, AgRP)神经元、抑制食欲的前阿黑皮素原(proopiomelanocortin, POMC)神经元、及其他种类神经元; 该类神经元的主要功能为感受瘦素、外周糖脂等营养物质水平,并相应调节食欲、摄食行为、及基础代谢率,以发挥能量平衡和代谢稳态中枢调控功能。然而,食欲及摄食行为的复杂性,暗示机体可能存在未知的其他类型的神经元。最近,美国洛克菲勒大学Jeffrey Friedman团队发现了一种新型神经元:碱性核蛋白-2(basonuclin2, BNC2)阳性神经元;该类神经元分布于下丘脑弓状核, 其可抑制AgRP神经元,从而介导瘦素的食欲抑制功能。该研究发表在2024年10月Nature杂志。BNC2神经元表达瘦素受体(leptin receptor, LepR),为瘦素感应神经元。下丘脑弓状核存在3种表达瘦素受体的神经元,即AgRP神经元、POMC 神经元和BNC2神经元。在鼠脑和人脑,BNC2、LepR 基因、以及GABA 能神经元特征基因 SLC32a1呈现共定位。然而,BNC2却不与AgRP、POMC共定位。以上结果提示,BNC2神经元可能是一种表达瘦素受体的新型神经元。(全文请点击PDF链接至知网阅读)

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综述

胸腺素β4在心血管发育和损伤修复中的作用

龙芷源, 许晓丹, 王庭槐

2025, 56(3): 252-259. https://doi.org/10.20059/j.cnki.pps.2024.12.1208

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胸腺素β4(thymosin β4, Tβ4)是广泛分布于哺乳动物组织细胞中的多肽分子, 在心血管系统发挥多种生物学效能。Tβ4参与调节胚胎时期心脏和血管发育,维持干细胞/祖细胞的干能特性和细胞活性,诱导血管新生和成熟,维持血管稳定性;补充外源Tβ4可调节机体免疫、降低炎症反应,抑制组织纤维化,激活并动员心肌/内皮祖细胞参与组织血管再生修复,提高缺血心脏功能表现, 表明Tβ4可对心脏和血管发挥双重调节作用。目前Tβ4已在ST段抬高的心肌梗死患者中开展临床试验,具有成为缺血性疾病治疗药物的潜力。因而, 本文围绕Tβ4的结构和生物学作用, 综述其在心血管发育和损伤修复中的作用,梳理和总结其对心血管保护的作用机制,为进一步推动和拓展基于Tβ4的治疗策略提供理论基础。

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综述

瘦素在阿尔茨海默病中作用的研究进展

付杨洋, 李晔△

2025, 56(3): 260-266. https://doi.org/10.20059/j.cnki.pps.2024.12.1188

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阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是一种复杂的神经退行性大脑疾病,导致严重的认知障碍,特别是记忆功能受损,影响全球数千万人,目前尚无有效疗法能够阻止或减缓其病程。不良的饮食习惯和生活方式是罹患AD的主要危险因素,且代谢紊乱在AD 患者中很常见。瘦素(leptin)是一种重要的代谢激素,具有增强认知的特性,越来越多证据表明,瘦素水平不足及其功能障碍与AD患病风险增加有关。瘦素不仅能够改善AD病理特征,还显著影响海马突触功能,发挥神经保护作用。此外,瘦素在AD治疗中也展现出良好的临床前景,有望成为一种新的治疗方法和诊断工具。

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生理科学与临床

锌与动脉疾病

潘思同, 胡桂子萌, 梁宏彪, 冯娟

2025, 56(3): 267-273. https://doi.org/10.20059/j.cnki.pps.2025.02.1269

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锌(zinc)是人体必需的微量元素之一,参与多种生物功能调控,在血管生理和病理生理中主要发挥保护作用。锌稳态失调通过氧化应激、炎症反应、细胞外基质降解、血管钙化等多种途径促进血管疾病的发生发展,与动脉粥样硬化、主动脉瘤、主动脉夹层和外周动脉疾病密切相关。本文总结锌缺乏导致动脉疾病的潜在机制、锌相关蛋白质的作用以及补充锌对血管功能的保护作用, 为动脉疾病的治疗与研究提供新的思路及线索。

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专论

丘脑连结核在神经系统疾病发生发展中的作用

吕思婷, 刘园坤, 王淑敏, 李依蔓, 郭紫若, 史娟

2025, 56(3): 274-280. https://doi.org/10.20059/j.cnki.pps.2025.03.1284

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丘脑连结核(nucleus reuniens)是丘脑中线最大的核团。该核团传入联系广泛,而传出相对局限。在功能方面,丘脑连结核是连接内侧前额叶皮质与海马的枢纽核团,在空间学习记忆、识别记忆、恐惧记忆活动中发挥重要作用。除了这些基本的生理功能,近期研究显示,该核团与神经系统多种疾病,如精神分裂、癫痫、阿尔茨海默病、抑郁症、焦虑症也有密切的关系。本文对丘脑连结核参与这些疾病发生发展的机制进展进行综述,以期揭示脑疾病发生发展的新机制,为基础和临床研究提供新思路。

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专论

运动对纤维肌痛综合征患者疼痛和抑郁的影响

鲍蒙蒙, 方李, 刘晨晨, 曹立全, 毋江波

2025, 56(3): 281-287. https://doi.org/10.20059/j.cnki.pps.2025.03.1303

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纤维肌痛综合征(fibromyalgia syndrome,FMS)的主要症状有疼痛和抑郁等,严重影响了患者的身心健康。目前临床上治疗FMS的方法有药物治疗和非药物治疗两种。运动疗法是一种有效的非药物治疗方法,它有助于减轻FMS患者的疼痛和抑郁症状,从而提高其生活质量。本文在分析有氧运动和抗阻运动对FMS患者疼痛和抑郁影响的基础上,进一步研究了FMS的发病机制及运动改善FMS的生理机制。结果表明,规律的中高强度有氧运动和抗阻运动可通过诱导痛觉减退、抗炎作用、改善自主神经功能障碍以及奖赏效应等途径显著改善FMS患者的疼痛和抑郁症状。尽管运动改善FMS患者症状的效果明显,但运动方案仍有待进一步优化,以提高其科学性和安全性。

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专论

叉头框蛋白O 的调控及其在胃癌中的作用

刘诗贺, 宋奇赢, 张兰, 郗洪庆

2025, 56(3): 288-295. https://doi.org/10.20059/j.cnki.pps.2024.11.1167

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胃癌是我国最常见的上消化道恶性肿瘤之一, 绝大多数患者在确诊时已处于进展期, 临床预后较差。叉头框O(forkhead box O,FOXO)是一类广泛存在于真核生物中的转录因子,在发育、代谢以及恶性肿瘤的发生发展等多种生理和病理过程中发挥关键作用。临床研究发现,FOXO 在胃癌中异常表达,并且与胃癌的增殖、迁移、治疗及耐药等密切相关。本文概述了FOXO 的调控机制、FOXO 在胃癌发生发展中的作用及其作为胃癌治疗靶点的可能性。

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科研新闻

脑内神经降压素参与抑制肥胖状态下的享乐摄食

刘金博, 郑瑞茂

2025, 56(3): 295-295.

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伏隔核(nucleus accumbens, NAc)、腹侧被盖区(ventral tegmental area, VTA), 均为调控奖赏行为(reward behavior)的重要神经核团,参与调节机体欣快感(euphoria)和成瘾(addiction)行为;两核团之间的神经投射,是脑奖赏系统的重要神经解剖结构。享乐摄食(hedonic eating),是指因食物可口而摄食,而非因饿感而摄食;为肥胖高发原因之一。然而,有研究发现:长期高脂饮食(high-fat diet, HFD)却可减少小鼠享乐摄食量、削减其对高热量食物的偏好,但机制不明。最近,美国加利福尼亚大学Stephan Lammel团队发现,外侧伏隔核(NAc)投射到腹侧被盖区(VTA)的神经元,可分泌神经降压素(neurotensin, NTS),以介导高脂饮食及肥胖状态下的享乐摄食。该研究发表在2025年3月Nature杂志。高脂饮食(HFD)可抑制小鼠享乐摄食。普通饮食(regular chow)、及高脂饮食分别喂养小鼠4周;普通饮食小鼠对高热量食物呈显著偏好;相反,HFD小鼠则对高热量食物无偏好。不仅如此,普通饮食小鼠对高热量食物的摄食量,亦高于HFD小鼠的高热量食物摄食量。应用神经元逆向示踪技术、及神经元活性纤维光度法,研究人员发现,再次给予高脂饮食,普通饮食小鼠“外侧伏隔核”至“腹侧被盖区”的神经纤维投射兴奋性增强;而高脂饮食小鼠则无此变化。以上结果提示,高脂饮食可造成“外侧伏隔核”至“腹侧被盖区”神经投射活性降低;而该现象可能是高脂饮食抑制享乐摄食的神经机制。(全文请点击PDF链接至知网阅读)

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封面图片

人工智能在心血管疾病中的应用

封面图片提供：江昊, 王由甲, 梁华敏, 何西淼

2025, 56(3): 295-295.

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