日昇日落，不同時差，哺乳類如何感知一天的時刻變化？大腦如何計算時間？這一直是國際科學界研究的困難點。北京大學科研團隊透過研究發現，哺乳動物大腦深部腦區中名為「視交叉上核」（簡稱SCN）的神經元集群，可透過眾多神經元的「集體決策」計算時間，時間解碼準確率可達99%。這項成果日前在線發表於國際權威期刊《細胞研究》。
北京大學國家生物醫學影像科學中心主任程和平院士介紹，團隊透過自主研發的雙側掃描雙光子顯微鏡，首次實現SCN區域近萬顆神經元跨晝夜的鈣成像。研究發現，SCN中以鈣脈衝為基本單元，可形成從秒到小時到近日週期的跨尺度鈣訊號，展現潛在的時間編碼能力。
圖為「蝴蝶」形態的SCN模組化功能組織（左）與其設計圖（北大團隊供圖）
同時，利用機器學習技術，團隊又開發了基於SCN神經元鈣訊號的時間解碼器，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%，且所有神經元對於整體時間計算有著近乎均等的貢獻，從而揭示神經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'，可接收並處理外界的光時間信息，計算時間並輸出信號，從而指導調控生物體的生理功能與行為。」北京大學未來技術學院博士研究生王子晨介紹，由於SCN緻密度高，一直以來獲取大規模神經元集群的信號數據並實現解碼是國際研究中的難點，團隊此次應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。
圖為對稱的波紋狀SCN功能組織，形態像一隻只「蝴蝶」（北大團隊供圖）
此外，透過多尺度對比學習方法並基於鈣訊號時間序列，團隊也辨識出SCN在空間中聚集形成雙側對稱、波紋狀的表徵，其形狀如同一隻美麗的「時間蝴蝶」。
北京大學分子醫學南京轉化研究院喻菁博士表示，這項研究不僅是國際首次在系統層級揭示SCN基於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與深度學習方法也具有通用意義，為研究其他複雜神經元集群工作原理提供了新思路。
（新華視點）
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