哺乳動物“計算時間”機制被發現

　　候鳥遷徙，蝴蝶振翅，心臟律動，生命的節律演繹著自然界最美妙的生命交響樂。然而，生物體如何能感知一天的時刻變化？相關問題一直懸而未決，等待著科學家們的實驗與回答。北京大學國家生物醫學成像科學中心主任程和平團隊通過對哺乳動物的生物鐘主鐘——視交叉上核（SCN）的時間計算機制研究發現，哺乳動物大腦深部腦區中SCN的神經元集群，可通過眾多神經元的“集體決策”計算時間，時間解碼準確率可達99%。這一成果近日在線發表于《細胞研究》。

　　據程和平介紹，團隊通過自主研發的雙側掃描雙光子顯微鏡，首次實現全核團近萬顆神經元跨晝夜鈣成像。研究團隊發現，SCN中以鈣脈沖為基本單元，可形成“狀態”“模態”“時空相位波”等從秒到小時到近日周期的跨尺度鈣信號，展示出潛在的時間編碼能力。

　　SCN核團如何編解碼時間信息？團隊利用機器學習技術，開發了一個基于SCN神經元鈣信號的時間解碼器，發現其解碼準確率隨著神經元數量的增加而顯著提升，當隨機組合來自同一SCN腦片的900個神經元時，時間解碼準確率達99%，這一發現揭示出神經元群體在時間編碼上的集體決策機制。

　　北京大學未來技術學院博士研究生王子晨介紹，由于SCN致密度高，一直以來獲取大規模神經元集群的信號數據并實現解碼是國際研究中的難點，團隊此次運用高速高通量成像和機器學習技術才得以破解其“計時”的奧秘。此外，團隊還發現神經元分類結果呈現分層模塊化結構，形狀如同一只美麗的“時間蝴蝶”。

　　北京大學分子醫學南京轉化研究院副研究員喻菁表示，此次研究不僅是國際首次在系統水平上揭示SCN基于神經元集體決策機制的時間計算能力及機制，應用其中的大規模鈣成像技術和深度學習方法也具有通用意義，為研究其他復雜神經元集群工作原理提供了新思路。