哺乳動(dòng)物如何“計(jì)算時(shí)間”？我國(guó)科學(xué)家有新發(fā)現(xiàn)

日升日落，不同時(shí)差，哺乳動(dòng)物如何能感知一天的時(shí)刻變化？大腦如何計(jì)算時(shí)間？這一直是國(guó)際科學(xué)界研究的難點(diǎn)。北京大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，哺乳動(dòng)物大腦深部腦區(qū)中名為“視交叉上核”（簡(jiǎn)稱為SCN）的神經(jīng)元集群，可通過(guò)眾多神經(jīng)元的“集體決策”計(jì)算時(shí)間，時(shí)間解碼準(zhǔn)確率可達(dá)99%。這一成果日前在線發(fā)表于國(guó)際權(quán)威期刊《細(xì)胞研究》。

北京大學(xué)國(guó)家生物醫(yī)學(xué)成像科學(xué)中心主任程和平院士介紹，團(tuán)隊(duì)通過(guò)自主研發(fā)的雙側(cè)掃描雙光子顯微鏡，首次實(shí)現(xiàn)SCN區(qū)域近萬(wàn)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(shí)到近日周期的跨尺度鈣信號(hào)，展示出潛在的時(shí)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(jì)圖（北大團(tuán)隊(duì)供圖）

同時(shí)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，團(tuán)隊(duì)又開(kāi)發(fā)了基于SCN神經(jīng)元鈣信號(hào)的時(shí)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(jī)組合來(lái)自同一SCN腦片的900個(gè)神經(jīng)元時(shí)，時(shí)間解碼準(zhǔn)確率達(dá)99%，且所有神經(jīng)元對(duì)于整體時(shí)間計(jì)算有著近乎均等的貢獻(xiàn)，從而揭示出神經(jīng)元群體在時(shí)間編碼上的集體決策機(jī)制。

“SCN是哺乳動(dòng)物的‘中樞生物鐘’，可接收并處理外界的光時(shí)間信息，計(jì)算時(shí)間并輸出信號(hào)，從而指導(dǎo)調(diào)控生物體的生理功能與行為?！北本┐髮W(xué)未來(lái)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(lái)獲取大規(guī)模神經(jīng)元集群的信號(hào)數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)解碼是國(guó)際研究中的難點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)此次應(yīng)用高速高通量成像和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)才得以破解其“計(jì)時(shí)”的奧秘。

圖為對(duì)稱的波紋狀SCN功能組織，形態(tài)像一只只“蝴蝶”（北大團(tuán)隊(duì)供圖）

此外，通過(guò)多尺度對(duì)比學(xué)習(xí)方法并基于鈣信號(hào)時(shí)間序列，團(tuán)隊(duì)還識(shí)別出SCN在空間中集聚形成雙側(cè)對(duì)稱、波紋狀的表征，其形狀如同一只美麗的“時(shí)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(guó)際首次在系統(tǒng)水平上揭示SCN基于神經(jīng)元集體決策機(jī)制的時(shí)間計(jì)算能力及機(jī)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。