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交汇点讯 日月交替，时间运转。哺乳动物如何感知时间并进行时间计算？近日，北京大学程和平院士团队研究发现，在哺乳动物体内大脑深部脑区中，生物钟主钟——视交叉上核（Suprachiasmatic nucleus, 以下简称SCN）的神经元集群可以通过众多神经元的“集体决策”来计算时间，这一成果日前在线发表于国际权威期刊《细胞研究》。此次研究也是国际首次在系统水平上揭示SCN视交叉上核基于神经元集体决策机制的时间计算能力及机制。在这项研究中，北京大学分子医学南京转化研究院提供了重要的技术支撑。
“其实，多年来，我们都一直很疑惑，如果没有现代精确的钟表，人类本身的计时的精度能达到多高？需要多少个神经元才能进行准确的时间计算？在时间计算层面，存在关键少数的神经元吗，还是神经元起着均等的贡献？”北京大学分子医学南京转化研究院喻菁博士告诉记者，为了更好地解答这些问题，他们进行了相关研究。
“SCN位于下丘脑最下方，是哺乳动物的‘中枢生物钟’，在生长到一定阶段会逐渐发育成熟，一般认为6-8周的小鼠已具备功能完整的SCN，可接收并处理外界的光时间信息，计算时间并输出信号，从而指导调控生物体的生理功能与行为。”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。“通俗的说法就是，在大约0.2立方毫米的小鼠SCN内，密布着约2万个神经元，这给获取高通量神经元集群信号带来了很大的挑战。”
为了直接证明SCN的时间解码能力以及解码方式与精度，从2020年开始，在南京脑观象台技术力量的支持下，由团队成员北京大学未来技术学院博士研究生翟慕岳主持设计搭建了双侧扫描双光子显微镜，为记录核团水平近万颗神经元跨昼夜钙信号提供了技术支持。
喻菁向记者介绍，首先，通过Duo-2P成像系统，团队获得了生物钟大数据，并发现了SCN中以钙脉冲为基本单元，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，展示了SCN钙信号潜在的时间编码能力。
之后，团队利用机器学习技术，开发一个基于SCN神经元钙信号的时间解码器，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，时间解码准确率达到了99.0%。“这一发现体现了SCN神经元群体在时间编码上的集体决策机制。”
通过归因分析，该团队估计了单个神经元在不同时间点对时间解码的贡献系数，发现所有神经元在全天24小时的平均贡献系数几乎趋于同一常数，揭示出SCN神经元对于整体时间计算有着近乎均等的贡献。
巧合的是，通过多尺度对比学习方法并基于钙信号时间序列，团队还识别出SCN在空间中集聚形成双侧对称、波纹状的表征，其形状如同一只美丽的“时间蝴蝶”。
“‘时间蝴蝶’只是开始，当前我们正在开展更多微型化双光子成像相关实验。此次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。”程和平表示。这是南京脑观象台利用成像技术解码大脑工作原理的一项标志性成果，随着成像技术的进步，越来越多的大脑奥秘将在这里渐次揭开。
据悉，南京脑观象台(Nanjing Brain Observatory, NBO)是北京大学分子医学南京转化研究院布局打造的高端成像平台。围绕全球脑科学计划的重大需求，打造“自由行为动物脑成像”的核心能力。旨在大规模获取脑动态图谱数据，推动重大原创发现，助力脑疾病临床新药创制，并启迪类脑与人工智能研究。
新华日报·交汇点记者 叶真
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