哺乳動物如何“計算時間”？我國科學(xué)家有新發(fā)現(xiàn)
日升日落，不同時差，哺乳動物如何能感知一天的時刻變化？大腦如何計算時間？這一直是國際科學(xué)界研究的難點。北京大學(xué)科研團隊通過研究發(fā)現(xiàn)，哺乳動物大腦深部腦區(qū)中名為“視交叉上核”（簡稱為SCN）的神經(jīng)元集群，可通過眾多神經(jīng)元的“集體決策”計算時間，時間解碼準(zhǔn)確率可達99%。這一成果日前在線發(fā)表于國際權(quán)威期刊《細胞研究》。
北京大學(xué)國家生物醫(yī)學(xué)成像科學(xué)中心主任程和平院士介紹，團隊通過自主研發(fā)的雙側(cè)掃描雙光子顯微鏡，首次實現(xiàn)SCN區(qū)域近萬顆神經(jīng)元跨晝夜的鈣成像。研究發(fā)現(xiàn)，SCN中以鈣脈沖為基本單元，可形成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。
圖為“蝴蝶”形態(tài)的SCN模塊化功能組織（左）與其設(shè)計圖（北大團隊供圖）
同時，利用機器學(xué)習(xí)技術(shù)，團隊又開發(fā)了基于SCN神經(jīng)元鈣信號的時間解碼器，發(fā)現(xiàn)其解碼準(zhǔn)確率隨著神經(jīng)元數(shù)量的增加而顯著提升，當(dāng)隨機組合來自同一SCN腦片的900個神經(jīng)元時，時間解碼準(zhǔn)確率達99%，且所有神經(jīng)元對于整體時間計算有著近乎均等的貢獻，從而揭示出神經(jīng)元群體在時間編碼上的集體決策機制。
“SCN是哺乳動物的‘中樞生物鐘’，可接收并處理外界的光時間信息，計算時間并輸出信號，從而指導(dǎo)調(diào)控生物體的生理功能與行為。”北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)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(guī)模神經(jīng)元集群的信號數(shù)據(jù)并實現(xiàn)解碼是國際研究中的難點，團隊此次應(yīng)用高速高通量成像和機器學(xué)習(xí)技術(shù)才得以破解其“計時”的奧秘。
圖為對稱的波紋狀SCN功能組織，形態(tài)像一只只“蝴蝶”（北大團隊供圖）
此外，通過多尺度對比學(xué)習(xí)方法并基于鈣信號時間序列，團隊還識別出SCN在空間中集聚形成雙側(cè)對稱、波紋狀的表征，其形狀如同一只美麗的“時間蝴蝶”。
北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)南京轉(zhuǎn)化研究院喻菁博士表示，此次研究不僅是國際首次在系統(tǒng)水平上揭示SCN基于神經(jīng)元集體決策機制的時間計算能力及機制，應(yīng)用其中的大規(guī)模鈣成像技術(shù)和深度學(xué)習(xí)方法也具有通用意義，為研究其他復(fù)雜神經(jīng)元集群工作原理提供了新思路。
