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？這一直是國際科學界研究的難點。北京大學科研團隊通過研究發現，哺乳動物大腦深部腦區中名為“視交叉上核”（簡稱為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%。這一成果日前在線發表于國際權威期刊《細胞研究》。
北京大學國家生物醫學成像科學中心主任程和平院士介紹，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”形態的SCN模塊化功能組織（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%，且所有神經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，形態像一只只“蝴蝶”（北大團隊供圖）
此外，通過多尺度對比學習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”。
北京大學分子醫學南京轉化研究院喻菁博士表示，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。
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？這一直是國際科學界研究的難點。北京大學科研團隊通過研究發現，哺乳動物大腦深部腦區中名為“視交叉上核”（簡稱為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%。這一成果日前在線發表于國際權威期刊《細胞研究》。
北京大學國家生物醫學成像科學中心主任程和平院士介紹，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”形態的SCN模塊化功能組織（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%，且所有神經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，形態像一只只“蝴蝶”（北大團隊供圖）
此外，通過多尺度對比學習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”。
北京大學分子醫學南京轉化研究院喻菁博士表示，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。
本文鏈接：我國科學家發現哺乳動物“計時”奧秘http://m.sq15.cn/show-2-5020-0.html
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