多模态跨尺度生物医学成像设施支撑程和平团队发现哺乳动物“计时”奥秘

引言

在我们大脑的某个小角落，藏着一个“隐形的时钟”，悄无声息地操纵着我们白天清醒、夜晚入眠的节律。

这个“时钟”就是视交叉上核（SCN）——昼夜节律的精准调控中心。它能让身体在24小时内保持一致的生物节律，但其中的奥秘却一直难以捉摸：这个“时钟”是如何精确感知和计算时间的？

最近，依托怀柔科学城的多模态跨尺度生物医学成像设施，北京大学生物医学成像科学中心的程和平研究团队揭开了SCN的计时秘密。他们发现，SCN神经元通过集体决策机制实现时间编码。这一发现不仅解开了生物钟运行的部分奥秘，还为研究节律紊乱相关疾病的形成机制和潜在治疗方案开辟了新的视角。

怀柔科学城多模态成像技术助力“时间之谜”研究

为探寻SCN的“时间编码”机制，研究团队通过自主研发的双侧双光子显微镜，首次实现SCN近万颗神经元跨昼夜的钙成像，获得了哺乳动物生物钟大数据。

同时研究团队引入了人工智能技术，应用于大规模神经集群的信号解码，依托怀柔科学城的多模态跨尺度生物医学成像设施的超算平台，揭示了SCN基于神经元集体决策的时间计算能力及机制。

发现一：集体决策的时间计算机制

研究团队开发了基于生物钟大数据的时间解码器，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。

发现二：模块化的时间表征模式

进一步研究发现，通过多尺度对比学习方法，识别SCN神经元的功能亚型，阐明其在SCN空间中集聚形成双侧对称、波纹状的模块化时间表征，其空间模式就像一只美丽的“时间蝴蝶”。这一模块化的时间表征模式揭示了SCN时间特征表征的涌现性质。

多模态跨尺度生物医学成像设施：解密生物钟的“超级望远镜”

在解密生物钟的研究中，怀柔科学城的多模态跨尺度生物医学成像设施发挥了关键作用，为揭示SCN系统水平的集体决策机制和模块化结构提供了重要的支持。

在此次研究过程中，除了北京大学国家生物医学成像科学中心和王选计算机研究所之外，智源研究院作为中关村科学城的代表性研发机构，也通过AI和数据分析技术为此次研究提供了有力支持，作为“三城一区”的重要组成部分，怀柔科学城与中关村科学城协同发力，展示了两大科学城联动的科研协同力。怀柔和中关村两大科学城的合作，不仅让这一突破性成果得以实现，也为北京建设国际科技创新中心增添了坚实的一环。

未来，怀柔科学城的多模态跨尺度生物医学成像设施将继续为神经科学、生物医学等领域的前沿探索提供技术保障，进一步推动“三城一区”协同下的科研创新，为探索生命奥秘贡献力量。

审稿专家：

黄铁军：

北京大学计算机学院 教授；北京智源人工智能研究院 理事长

马雷：

北京大学未来技术学院国家生物医学成像中心 副研究员