新華社北京4月17日電（記者魏夢(mèng)佳）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？大腦如何計算時(shí)間？這一直是國際科學(xué)界研究的難點(diǎn)。北京大學(xué)科研團隊通過(guò)研究發(fā)現，哺乳動(dòng)物大腦深部腦區中名為“視交叉上核”（簡(jiǎn)稱(chēng)為SCN）的神經(jīng)元集群，可通過(guò)眾多神經(jīng)元的“集體決策”計算時(shí)間，時(shí)間解碼準確率可達99%。這一成果日前在線(xiàn)發(fā)表于國際權威期刊《細胞研究》。

 

  北京大學(xué)國家生物醫學(xué)成像科學(xué)中心主任程和平院士介紹，團隊通過(guò)自主研發(fā)的雙側掃描雙光子顯微鏡，首次實(shí)現SCN區域近萬(wàn)顆神經(jīng)元跨晝夜的鈣成像。研究發(fā)現，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，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）與其設計圖（北大團隊供圖）

 

  同時(shí)，利用機器學(xué)習技術(shù)，團隊又開(kāi)發(fā)了基于SCN神經(jīng)元鈣信號的時(shí)間解碼器，發(fā)現其解碼準確率隨著(zhù)神經(jīng)元數量的增加而顯著(zhù)提升，當隨機組合來(lái)自同一SCN腦片的900個(gè)神經(jīng)元時(shí)，時(shí)間解碼準確率達99%，且所有神經(jīng)元對于整體時(shí)間計算有著(zhù)近乎均等的貢獻，從而揭示出神經(jīng)元群體在時(shí)間編碼上的集體決策機制。

 

  “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，計算時(shí)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(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)獲取大規模神經(jīng)元集群的信號數據并實(shí)現解碼是國際研究中的難點(diǎn)，團隊此次應用高速高通量成像和機器學(xué)習技術(shù)才得以破解其“計時(shí)”的奧秘。

 

 

  圖為對稱(chēng)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(guò)多尺度對比學(xué)習方法并基于鈣信號時(shí)間序列，團隊還識別出SCN在空間中集聚形成雙側對稱(chēng)、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)分子醫學(xué)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(jīng)元集體決策機制的時(shí)間計算能力及機制，應用其中的大規模鈣成像技術(shù)和深度學(xué)習方法也具有通用意義，為研究其他復雜神經(jīng)元集群工作原理提供了新思路。