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。