男女大腦有差異，差異何在？ | 科技周覽

整理 | 周舒義、平生

目錄

• 剝膠帶時的刺耳聲音從何而來？
• 牛頓爭執不下的“接吻”難題，AI給出答案
• 間歇性禁食對減肥作用不大
• 血液檢測有望預測阿爾茨海默病何時找上門
• 男女大腦有差異，差異何在？
• “通用”疫苗可同時對抗多種病原體

剝膠帶時的刺耳聲音從何而來？

拉開膠帶卷時，通常會聽到一種獨特的刺耳“滋啦”聲。現在，科學家們終于揭開了其中的確切機制：膠帶黏膠層內部會產生一連串微小裂紋，它們在蔓延至膠帶邊緣時釋放沖擊波，形成我們聽到的刺耳聲音。相關論文近日發表于 Physical Review E。

也許你已經注意到，當從膠帶卷上撕下膠帶時，它往往會順暢地滑脫一小段，然后時不時出現卡頓。此前研究表明，即使表面上看起來剝離得比較順滑，這種交替“卡住（粘滯）”然后再“突然松開（滑脫）”的過程依然會在微觀尺度下不斷發生。在膠帶克服粘滯后滑脫（撕開）的瞬間，黏膠層內部會從一側邊緣生成微小的、肉眼難以察覺的裂紋，然后沿著膠帶的橫向迅速蔓延。

阿卜杜拉國王科技大學的物理學家Sigurdur Thoroddsen等人猜測，聲音是在裂紋蔓延的過程中，由快速移動的裂紋前端產生的。為此他們設計實驗，捕捉在撕開膠帶時生成的裂紋以及周圍空氣中的沖擊波。

他們用力拉扯固定在厚玻璃板上的透明膠帶，使用一臺從玻璃板底部向上看的高速攝像機，錄制了在剝離膠帶時黏膠層裂紋的形成過程。同時，另一臺以每秒200萬幀進行記錄的超高速攝像機通過探測空氣密度的變化來尋找沖擊波。

實驗結果顯示，在裂紋形成并橫穿整個膠帶的過程中，并沒有在空氣中檢測到任何沖擊波，因此這一過程并不會發出聲音，直接否定了研究人員最初的假設。然而，在裂紋橫穿膠帶、到達另一側邊緣時，卻釋放出了一連串尖銳的沖擊波。靠近裂紋終點的麥克風更早探測到聲脈沖，進一步證實了上述觀測。

分析表明，裂紋以超音速蔓延，是發出尖銳聲音的關鍵。裂紋形成時，周圍空氣會涌入填補空隙，但空隙蔓延太快，來不及被即時填滿，于是形成低壓空腔。當裂紋到達膠帶邊緣時，這些低壓空腔驟然與外界打通，空氣迅速、猛烈地灌入，激發強烈空氣振動，從而釋放沖擊波。你可以把它想象成打破真空玻璃罐瞬間發出的急促漏氣聲，只不過在撕膠帶時，這種微小“內爆”是以極快速度和極高頻率連續發生的。

研究人員指出，更好理解膠帶剝離的力學原理和聲學特性，有助于制造出更靜音的膠帶。雖然對大多數人來說，剝膠帶的噪音可能只是小小插曲，但對運輸和包裝行業的工人來說，這卻是一個揮之不去的困擾。

相關論文：https://doi.org/10.1103/p19h-9ysx

牛頓爭執不下的“接吻”難題，AI給出答案

1694年，牛頓和大衛·格雷戈里在劍橋為了一個“接吻”難題爭執不下：最多可以有多少個相同大小的球體，能夠同時與一個同樣大小的中心球體相接觸（即“親吻”），且這些外圍球體互不重疊？這就是三維空間的“親吻數問題”（KNP）。

牛頓認為答案是12，格雷戈里則認為可能是13。牛頓的直覺是正確的，但要用嚴格的數學證明“第13個球絕對塞不進去”極其困難，因為12個球在中心球表面可以自由滑動，情況非常復雜。直到兩百多年后的1953年，數學家Kurt Schütte和B. L. van der Waerden才給出了三維親吻數為12的第一個嚴格數學證明。著名數學家保羅·埃爾德什曾寫道，離散幾何或許就始于這場著名的“12對13”之爭。

然而，我們目前只在少數幾個特定維度（1、2、3、4、8、24維）上知道確切答案。數學家奧列格·穆辛在2003年證明，4維空間的親吻數是24，而24維空間的親吻數196560在1979年得到證明。2022年，數學家瑪麗娜·維亞佐夫斯卡（Marina Viazovska）因對8維與24維球體堆積最優解的嚴格證明而獲得菲爾茲獎。當維度升高，親吻數的計算難度也呈指數級上升。過去50年，親吻數構造僅有7次實質性進展，而且每次依賴完全不同的方法，難以遷移與復用。

近日，上海科學智能研究院與北京大學、復旦大學的聯合研究團隊設計了一個名為PackingStar的強化學習系統，在12、13、14、17、20、21、25–31維等多個維度刷新了親吻數與廣義親吻數紀錄。并發現了大量規則但不對稱的、數學家難以構造但卻可以理解和推廣的幾何構型。需要注意的是，PackingStar無法為新構型提供數學證明，因此需要人工來驗證結果。

研究團隊將高維幾何問題轉化為余弦矩陣填充問題，在多智能體協作框架下探索遠超人類直覺的復雜空間。系統由填充智能體（Player 1）與修剪智能體（Player 2）協同博弈，在“生成—篩選—優化”的循環中持續逼近最優結構。其中，填充智能體負責快速生成結構的初步形態，并通過學習不斷優化生成策略，它類似AlphaGo在圍棋游戲中下棋，不斷填充矩陣，在巨大的構型空間中尋找球體的排列方式。修剪智能體則對填充后矩陣對應的結構進行幾何分析，學習如何識別并去除不夠合理的球體排列。然后將矩陣交由填充智能體重新填充，反復打磨結構。通過“填充—修剪—解構—再填充”的循環機制，系統有效壓縮搜索空間，降低高維探索難度。

成果層面，PackingStar在25—31維全部刷新了人類已知下界紀錄，這些記錄的正確性已經得到了美國麻省理工學院的亨利·科恩（Henry Cohn）教授等人的獨立驗證。研究團隊進一步研究了“廣義接吻數”，即同時和多個相切中心球親吻的球的最大數目。PackingStar打破14維與17維“兩球親吻數”紀錄；打破12維、20維、21維“三球親吻數”紀錄；在13維發現優于1971年以來所有有理結構的新構型；在多個維度中發現6000余個新結構。

研究人員表示，在親吻數問題的三百年歷史中，這樣的跨維度連續推進非常罕見。此前每一次改進幾乎都是孤立突破，依賴完全不同的數學技巧，難以遷移。而PackingStar在多個維度同步推進，揭示出不同維度之間潛藏的結構關聯，使構型不再彼此封閉，而形成可遷移、可比較、可演化的幾何網絡。

雖然聽起來像個純粹的理論腦力游戲，但多維球體填充問題在現代科技中有非常核心的應用。在數字通信（如5G網絡、深空衛星傳輸、硬盤存儲）中，我們需要在充滿噪聲的信道中傳輸信號。數學家將信號映射為高維空間中的“球體”。親吻數決定了我們能在空間中緊湊地放置多少個信號（傳輸效率），而球互不重疊的特性保證了信號之間的區分度（抗干擾和糾錯能力）。親吻數問題還可以幫助材料學家理解晶體結構以及原子、分子的最密堆積方式。此外，8 維和 24 維的特殊晶格結構在弦論和高維量子物理中扮演著基礎性的角色。

相關論文：https://doi.org/10.48550/arXiv.2511.13391

間歇性禁食對減肥作用不大

一項大型研究綜述表明，間歇性禁食在減重方面的效果并不優于傳統節食方法，且相較于完全不節食，其效果也好得有限。

間歇性禁食是一種進食模式，在“禁食期”和“進食期”之間循環。與傳統節食不同，它并不嚴格規定你吃什么，而是重點關注你什么時候吃。典型的間歇性禁食方法如16/8禁食法（每天禁食16小時，將所有的進食時間集中在剩下的8小時內）、5:2輕斷食法等。近年來在社交媒體推動下，關于間歇性禁食能快速減肥和帶來代謝益處的說法流傳甚廣。

然而科學證據表明，其實際效果與網絡炒作存在明顯落差。研究人員分析了22項臨床試驗的數據，這些試驗涵蓋了來自北美、歐洲、中國、澳大利亞和南美的1995名成年人。試驗考察了多種形式的間歇性禁食，包括隔日禁食、周期性禁食和限時進食。評估將間歇性禁食與傳統的飲食建議以及無干預措施進行了對比。結果顯示，與標準飲食建議或不采取措施相比，間歇性禁食似乎并沒有對體重減輕產生具有臨床意義的影響。人們通過間歇性禁食僅減掉了約3%的體重，低于被認為具有臨床意義的5%。除了對減肥的微弱益處外，研究人員沒有發現強有力的證據表明間歇性禁食比其他飲食方式更能改善人們的生活質量。

研究主要作者、阿根廷布宜諾斯艾利斯意大利醫院的Luis Garegnani表示，對于試圖減肥的超重成年人來說，間歇性禁食似乎不起作用。不過他也強調，當前科學證據的局限性很大，許多研究周期短、質量不高，因此很難就其潛在益處得出確切結論。Garegnani補充說，令人驚訝的是，此次回顧的22項研究中沒有一項詢問人們對間歇性禁食的滿意度。

“如果人們感覺間歇性禁食效果更好，我不會阻止他們，但這項研究以及該領域的其他研究都清楚地表明，除了可能適度減輕體重之外，沒有強有力的證據表明這種方案具有其他積極作用，”柏林夏里特醫院健康研究所的Maik Pietzner說。“我們的身體是在食物持續匱乏的環境下進化而來的，能夠很好地應對長時間的食物短缺，但這并不意味著這些進化遺留機制一定能改善我們的身體機能。”

相關論文：https://dx.doi.org/10.1002/14651858.CD015610.pub2

血液檢測有望預測阿爾茨海默病何時找上門

2月19日發表于Nature Medicine的一項研究表明，簡單的血液檢測可能作為一種“分子時鐘”，不僅能預測人們是否會患上阿爾茨海默病（AD），還能預測其癥狀何時開始出現。如果這項檢測方法在大規模研究中得到驗證，它有望為AD的早期干預提供途徑。

阿爾茨海默病患者的大腦中會積累異常tau蛋白，這些蛋白會形成纏結的纖維，破壞大腦神經細胞間的通訊。科學界普遍認為，雖然淀粉樣蛋白斑塊可能是AD早期的觸發因素之一，但tau蛋白形成的神經原纖維纏結與患者認知能力下降的嚴重程度和疾病進展有著更直接、更密切的相關性。長期以來，醫療人員會使用腦部成像來檢測纏結tau蛋白，但這些成像技術通常既繁瑣又昂貴。

異常的tau蛋白會形成纏結的纖維，并在阿爾茨海默病患者的大腦中積聚（左側腦切片）。右側為未患阿爾茨海默病的大腦。Credit: Alfred Pasieka/Science Photo Library

在新研究中，華盛頓大學醫學院的神經學家Suzanne Schindler及其研究團隊將目光鎖定在了一種名為p-tau217的特定異常tau蛋白上。研究團隊分析了兩項大型AD研究中600名老年人的血液檢測和認知評估數據。他們發現，遠在患者的認知癥狀開始發作之前，血液中p-tau217與非磷酸化tau蛋白的比值就開始呈現上升趨勢。例如，在60歲時血漿p-tau217轉為陽性的參與者，距離癥狀出現的中位時間長達20.5年；即使是在80歲時轉為陽性，距離癥狀出現的中位時間也有11.4年。Schindler指出，p-tau217增加的速率在不同個體之間表現出了驚人的一致性。

基于上述發現，研究團隊成功設計出了一個結合年齡和p-tau217指標的數據模型，該模型能夠估算阿爾茨海默病癥狀出現的時間，誤差范圍在三到四年之內。

Schindler表示，未來研究團隊希望通過加入其他與AD相關的蛋白質或其他異常tau蛋白的數據來改進他們的“分子時鐘”，從而縮小誤差范圍。不過，該研究目前僅處于概念驗證階段，Schindler認為在進行更多研究之前，人們不應該自行嘗試。“就目前而言，我們不建議任何認知功能正常的個體進行任何阿爾茨海默病生物標志物檢測。”

已有兩項大型臨床試驗正在進行，旨在確定體內含有高比例異常tau蛋白的人群是否能在癥狀顯現前，從現有的AD藥物治療中獲益。美國明尼阿波利斯退伍軍人事務醫療系統的醫生Howard Fink表示，鑒于目前臨床上缺乏早期治療方案，也沒有真正的特效藥，這種阿爾茨海默病預測“時鐘”對普通民眾的意義有限。

相關論文：https://doi.org/10.1038%2Fs41591-026-04206-y

男女大腦有差異，差異何在？

一項基于腦成像數據的新研究指出，男女大腦連接模式的差異，在兒童早期并不明顯，但在青春期會迅速擴大；其中部分差異還會在成年階段隨年齡增長而繼續加深。不過也有學者提醒，現有證據難以區分這些差異究竟來自生物學性別因素，還是來自社會性別角色與環境經歷的長期影響。相關論文以預印本形式發布在bioRxiv，未經過同行評審。

這項研究分析了1286名年齡在8—100歲之間參與者的功能磁共振成像（fMRI）數據，男女各約占一半。需要注意的是，這些掃描并非長期追蹤同一批人的縱向研究，而是不同年齡段個體的“橫截面快照”。

為從復雜網絡中提取模式，團隊使用了名為“Krakencoder”的人工智能工具，分別分析兩類連接：一類是反映腦區之間“物理連線”的結構連接（如軸突通路），另一類是反映腦區之間活動同步性的功能連接。

研究顯示，與性別相關的連接差異在生命早期較小，但在青春期出現明顯躍升；此后，部分差異會在成年階段繼續擴大。功能連接差異主要出現在更高階的腦網絡中，這些網絡往往需要整合多個腦區的信息，參與注意、決策與意識等功能；結構連接差異則主要集中在低級網絡（負責處理感官收集到的信息），這種物理結構的差異在中年時達到頂峰，表現出隨年齡進一步分化的趨勢。

在具體的腦區表現上，男女有著不同的強化方向。整個生命周期中，女性在“默認模式網絡”區域之間的功能連接往往比男性更強，這個網絡主要負責處理高級別的大腦運作過程。男性則偏重于小腦左右半球（負責運動控制）之間的功能連接，小腦每個半球內部的結構連接也更強。（注意這里說的是統計平均趨勢，不是“每個女性/男性都更強”。）

上述發現可能與現實中的健康差異高度相關。例如，女性患焦慮或抑郁癥的可能性大約是男性的2倍，而男孩被診斷為自閉癥譜系障礙的概率則是女孩的大約4倍。來自劍橋大學的認知神經科學家Yumnah Khan表示，一個有趣之處在于，研究中性別差異出現和擴大的時間線，似乎與人一生中性激素水平變化的時間線存在某種對應關系。尤其是高級網絡的功能性差異在45-55歲期間達到最大分化，該時間段恰好與女性典型的絕經期（51-52歲）重合 。

然而，科學界對于這些差異究竟是由純粹的生理差異引起，還是由社會文化塑造的性別角色所致，仍存在激烈爭議。羅莎琳德·富蘭克林醫學與科學大學的神經科學家Lise Eliot指出，女性抑郁和焦慮患病率較高可能與社會經濟結果、性暴力和身體羞辱有關，這些因素都很可能促成大腦的變化。她強調，生理性別只是導致健康差異的其中一個因素。

特拉維夫大學的神經科學家Daphna Joel提出，人類的大腦并不能被簡單地劃分為“女性”和“男性”兩個截然不同的類別。她認為這項研究中發現的差異可能更多反映了教育、父母對待方式、體力活動或社會壓力的不同，而非純粹的生物學影響。

相關論文：https://doi.org/10.64898/2026.01.30.702608

“通用”疫苗可同時對抗多種病原體

2月19日發表在Science上的一項研究中，研究者給小鼠接種一種“通用疫苗”，成功實現了廣譜保護效果，使小鼠在數月內免受包括SARS-CoV-2病毒在內的多種呼吸道病原體感染。

在小鼠實驗中，含有免疫刺激化合物的鼻噴霧劑能夠有效抑制金黃色葡萄球菌（醫院常見感染病原體）的生長。| DENNIS KUNKEL MICROSCOPY/SCIENCE SOURCE

普通疫苗通過遞送來自特定病原體的分子或分子片段（抗原）來誘導機體產生針對該病原體的免疫反應。這種防御通常是“一對一”的，比如針對乙肝的疫苗只能預防乙肝，對腮腺炎無效。但某些疫苗似乎具備交叉保護作用。例如卡介苗（BCG）原本專門用于預防結核病，但有證據表明它能提供“跨界”保護，同時增強人體對流感、COVID-19和黃熱病等其他病毒感染的抵抗力。

斯坦福大學免疫學家 Bali Pulendran 及其團隊此前的研究表明，這種交叉保護作用需要免疫系統的兩個分支共同參與：迅速發起反擊的先天免疫系統，以及提供長期特異性免疫的適應性免疫系統。基于上述發現，研究團隊設計了一個“三組分配方”，其中不含任何病原體來源的抗原，但仍能同時調動先天與適應性免疫：兩種成分為佐劑（用于激活先天免疫細胞的病原體識別通路），第三種成分為卵清蛋白（來自蛋清，可刺激T細胞）。

研究人員將“通用疫苗”溶液噴入小鼠鼻腔，隨后讓小鼠暴露于非致死劑量的 SARS-CoV-2病毒。結果顯示，對照組在3天內體重下降約10%；而接受疫苗噴霧的小鼠幾乎沒有體重下降，肺部炎癥和組織損傷也更輕。這種疫苗噴霧還被證明對其他可感染小鼠的冠狀病毒以及兩種細菌有效，其中包括醫院感染常見的金黃色葡萄球菌。疫苗提供的保護期至少長達3個月。

研究團隊進一步分析了“通用疫苗”的作用機制。發現它會激活一群T細胞，進而刺激先天免疫細胞進入高度“警戒狀態”。肺部的巨噬細胞是發揮抗擊病原體作用的關鍵。它們能吞噬細菌，并且摧毀被病毒感染的體細胞以阻止病毒復制。巨噬細胞還會收集抗原并呈遞給T細胞，幫助動員適應性免疫系統。接種“通用疫苗”的小鼠，其肺部巨噬細胞在這三項功能上都表現得更加活躍。

下一步，Pulendran 及其同事希望在人類身上測試該方法的改良版本，他們計劃用 SARS-CoV-2 抗原蛋白替換配方中的卵清蛋白。如果安全性試驗順利，團隊計劃讓健康志愿者受控暴露于流感病毒，以確定這種疫苗是否能預防流感。

不過西奈山伊坎醫學院的疫苗學家Florian Krammer提醒說，由于人類每天會吸入大量細菌和病毒，可能已經觸發了廣泛的保護反應，因此這種噴霧帶來的提升空間可能有限。

相關論文：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aea1260

注：本文封面圖片來自版權圖庫，轉載使用可能引發版權糾紛。

特 別 提 示

1. 進入『返樸』微信公眾號底部菜單“精品專欄“，可查閱不同主題系列科普文章。

2. 『返樸』提供按月檢索文章功能。關注公眾號，回復四位數組成的年份+月份，如“1903”，可獲取2019年3月的文章索引，以此類推。

版權說明：歡迎個人轉發，任何形式的媒體或機構未經授權，不得轉載和摘編。轉載授權請在「返樸」微信公眾號內聯系后臺。