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日升(sheng)日落，不同時差，哺乳(ru)動(dong)物(wu)如(ru)何(he)能感知一(yi)天的時刻(ke)變化？大(da)腦如(ru)何(he)計(ji)算時間(jian)？這一(yi)直是(shi)國際(ji)科學界研(yan)(yan)究的難(nan)點。北京大(da)學科研(yan)(yan)團隊通(tong)過研(yan)(yan)究發(fa)現，哺乳(ru)動(dong)物(wu)大(da)腦深部(bu)腦區(qu)中名為“視(shi)交叉上核(he)”(簡稱為SCN)的神經元(yuan)集群(qun)，可通(tong)過眾(zhong)多神經元(yuan)的“集體決(jue)策”計(ji)算時間(jian)，時間(jian)解碼準確率可達99%。這一(yi)成果日前在線發(fa)表于國際(ji)權威期(qi)刊(kan)《細胞研(yan)(yan)究》。
北京大學國家生物醫學成(cheng)像(xiang)科學中(zhong)心主任程(cheng)和平院士介紹，團隊(dui)通過自主研發的(de)雙側掃描雙光子顯微鏡(jing)，首(shou)次實現SCN區域近萬顆神(shen)經元跨晝(zhou)夜的(de)鈣成(cheng)像(xiang)。研究發現，SCN中(zhong)以鈣脈沖為(wei)基本單元，可形成(cheng)從秒到(dao)小(xiao)時到(dao)近日周期的(de)跨尺度鈣信號，展示出潛在的(de)時間(jian)編碼能(neng)力。
圖(tu)為“蝴(hu)蝶”形態的SCN模(mo)塊化(hua)功能(neng)組織(zhi)(左(zuo))與其設(she)計圖(tu)(北大團隊(dui)供(gong)圖(tu))
同(tong)時，利用機(ji)器學習技術，團(tuan)隊又開發(fa)了(le)基(ji)于SCN神(shen)經元鈣信號(hao)的時間(jian)解(jie)碼器，發(fa)現其(qi)解(jie)碼準確率隨(sui)著(zhu)神(shen)經元數量的增加(jia)而(er)顯著(zhu)提升，當(dang)隨(sui)機(ji)組合來自(zi)同(tong)一SCN腦(nao)片的900個神(shen)經元時，時間(jian)解(jie)碼準確率達(da)99%，且(qie)所有神(shen)經元對于整體(ti)時間(jian)計算有著(zhu)近乎均(jun)等的貢獻，從而(er)揭示出(chu)神(shen)經元群體(ti)在時間(jian)編(bian)碼上的集體(ti)決策機(ji)制。
“SCN是(shi)哺乳動物(wu)(wu)的‘中(zhong)樞生物(wu)(wu)鐘’，可(ke)接收并(bing)處理外界(jie)的光時間(jian)信息，計算(suan)時間(jian)并(bing)輸出信號，從而指導調控生物(wu)(wu)體的生理功能與行為(wei)。”北京大(da)學未來技術學院博士(shi)研究生王子晨介紹，由于(yu)SCN致密度(du)高，一直以(yi)來獲取大(da)規模神經元集群的信號數據并(bing)實現解碼是(shi)國際研究中(zhong)的難(nan)點，團隊此次應用高速高通量成像和機器(qi)學習(xi)技術才得以(yi)破解其“計時”的奧秘。
圖(tu)為(wei)對稱的(de)波紋狀SCN功能組織，形態像一只只“蝴蝶”(北大團隊供圖(tu))
此外，通過多(duo)尺度對比學習方法并基于鈣信(xin)號(hao)時(shi)間序列，團隊還識別(bie)出SCN在空間中集聚形(xing)成雙側對稱(cheng)、波紋(wen)狀(zhuang)的(de)表征，其(qi)形(xing)狀(zhuang)如同一只(zhi)美(mei)麗的(de)“時(shi)間蝴(hu)蝶(die)”。
北京(jing)大學(xue)分(fen)子醫學(xue)南京(jing)轉化研究院喻菁博士表(biao)示，此(ci)次研究不僅是國際首次在系(xi)統(tong)水平上(shang)揭示SCN基于神經(jing)元集(ji)體決策機(ji)制(zhi)的(de)時間計算能力及機(ji)制(zhi)，應用其中的(de)大規模鈣成像技術和(he)深度學(xue)習方法也(ye)具有(you)通用意義，為(wei)研究其他復雜神經(jing)元集(ji)群工作(zuo)原理(li)提供了新思路。(記者魏夢佳)
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