哺乳动物“计算时间”机制被发现

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  本报北京4月20日电（记者晋浩天 通讯员李嫱）候鸟迁徙，蝴蝶振翅，心脏律动，生命的节律演绎着自然界最美妙的生命交响乐。然而，生物体如何能感知一天的时刻变化？相关问题一直悬而未决，等待着科学家们的实验与回答。北京大学国家生物医学成像科学中心主任程和平团队通过对哺乳动物的生物钟主钟——视交叉上核（SCN）的时间计算机制研究发现，哺乳动物大脑深部脑区中SCN的神经元集群，可通过众多神经元的“集体决策”计算时间，时间解码准确率可达99%。这一成果近日在线发表于《细胞研究》。

  据程和平介绍，团队通过自主研发的双侧扫描双光子显微镜，首次实现全核团近万颗神经元跨昼夜钙成像。研究团队发现，SCN中以钙脉冲为基本单元，可形成“状态”“模态”“时空相位波”等从秒到小时到近日周期的跨尺度钙信号，展示出潜在的时间编码能力。

  SCN核团如何编解码时间信息？团队利用机器学习技术，开发了一个基于SCN神经元钙信号的时间解码器，发现其解码准确率随着神经元数量的增加而显著提升，当随机组合来自同一SCN脑片的900个神经元时，时间解码准确率达99%，这一发现揭示出神经元群体在时间编码上的集体决策机制。

  北京大学未来技术学院博士研究生王子晨介绍，由于SCN致密度高，一直以来获取大规模神经元集群的信号数据并实现解码是国际研究中的难点，团队此次运用高速高通量成像和机器学习技术才得以破解其“计时”的奥秘。此外，团队还发现神经元分类结果呈现分层模块化结构，形状如同一只美丽的“时间蝴蝶”。

  北京大学分子医学南京转化研究院副研究员喻菁表示，此次研究不仅是国际首次在系统水平上揭示SCN基于神经元集体决策机制的时间计算能力及机制，应用其中的大规模钙成像技术和深度学习方法也具有通用意义，为研究其他复杂神经元集群工作原理提供了新思路。