引言

在我們大腦的某個(gè)小角落，藏著一個(gè)“隱形的時(shí)鐘”，悄無聲息地操縱著我們白天清醒、夜晚入眠的節(jié)律。

這個(gè)“時(shí)鐘”就是視交叉上核（SCN）——晝夜節(jié)律的精準(zhǔn)調(diào)控中心。它能讓身體在24小時(shí)內(nèi)保持一致的生物節(jié)律，但其中的奧秘卻一直難以捉摸：這個(gè)“時(shí)鐘”是如何精確感知和計(jì)算時(shí)間的？

最近，依托懷柔科學(xué)城的多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)施，北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)成像科學(xué)中心的程和平研究團(tuán)隊(duì)揭開了SCN的計(jì)時(shí)秘密。他們發(fā)現(xiàn)，SCN神經(jīng)元通過集體決策機(jī)制實(shí)現(xiàn)時(shí)間編碼。這一發(fā)現(xiàn)不僅解開了生物鐘運(yùn)行的部分奧秘，還為研究節(jié)律紊亂相關(guān)疾病的形成機(jī)制和潛在治療方案開辟了新的視角。

懷柔科學(xué)城多模態(tài)成像技術(shù)助力“時(shí)間之謎”研究

為探尋SCN的“時(shí)間編碼”機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)通過自主研發(fā)的雙側(cè)雙光子顯微鏡，首次實(shí)現(xiàn)SCN近萬顆神經(jīng)元跨晝夜的鈣成像，獲得了哺乳動(dòng)物生物鐘大數(shù)據(jù)。

同時(shí)研究團(tuán)隊(duì)引入了人工智能技術(shù)，應(yīng)用于大規(guī)模神經(jīng)集群的信號(hào)解碼，依托懷柔科學(xué)城的多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)施的超算平臺(tái)，揭示了SCN基于神經(jīng)元集體決策的時(shí)間計(jì)算能力及機(jī)制。

發(fā)現(xiàn)一：集體決策的時(shí)間計(jì)算機(jī)制

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于生物鐘大數(shù)據(jù)的時(shí)間解碼器，發(fā)現(xiàn)其解碼準(zhǔn)確率隨著神經(jīng)元數(shù)量的增加而顯著提升，當(dāng)隨機(jī)組合來自同一SCN腦片的900個(gè)神經(jīng)元時(shí)，時(shí)間解碼準(zhǔn)確率達(dá)到了99.0%。這一發(fā)現(xiàn)體現(xiàn)了SCN神經(jīng)元群體在時(shí)間編碼上的集體決策機(jī)制。

發(fā)現(xiàn)二：模塊化的時(shí)間表征模式

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，通過多尺度對(duì)比學(xué)習(xí)方法，識(shí)別SCN神經(jīng)元的功能亞型，闡明其在SCN空間中集聚形成雙側(cè)對(duì)稱、波紋狀的模塊化時(shí)間表征，其空間模式就像一只美麗的“時(shí)間蝴蝶”。這一模塊化的時(shí)間表征模式揭示了SCN時(shí)間特征表征的涌現(xiàn)性質(zhì)。

多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)施：解密生物鐘的“超級(jí)望遠(yuǎn)鏡”

在解密生物鐘的研究中，懷柔科學(xué)城的多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)施發(fā)揮了關(guān)鍵作用，為揭示SCN系統(tǒng)水平的集體決策機(jī)制和模塊化結(jié)構(gòu)提供了重要的支持。

在此次研究過程中，除了北京大學(xué)國(guó)家生物醫(yī)學(xué)成像科學(xué)中心和王選計(jì)算機(jī)研究所之外，智源研究院作為中關(guān)村科學(xué)城的代表性研發(fā)機(jī)構(gòu)，也通過AI和數(shù)據(jù)分析技術(shù)為此次研究提供了有力支持，作為“三城一區(qū)”的重要組成部分，懷柔科學(xué)城與中關(guān)村科學(xué)城協(xié)同發(fā)力，展示了兩大科學(xué)城聯(lián)動(dòng)的科研協(xié)同力。懷柔和中關(guān)村兩大科學(xué)城的合作，不僅讓這一突破性成果得以實(shí)現(xiàn)，也為北京建設(shè)國(guó)際科技創(chuàng)新中心增添了堅(jiān)實(shí)的一環(huán)。

未來，懷柔科學(xué)城的多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)施將繼續(xù)為神經(jīng)科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的前沿探索提供技術(shù)保障，進(jìn)一步推動(dòng)“三城一區(qū)”協(xié)同下的科研創(chuàng)新，為探索生命奧秘貢獻(xiàn)力量。

審稿專家：

黃鐵軍：

北京大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 教授；北京智源人工智能研究院 理事長(zhǎng)

馬雷：

北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院國(guó)家生物醫(yī)學(xué)成像中心 副研究員