引言

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

這個“時鐘”就是視交叉上核（SCN）——晝夜節(jié)律的精準調(diào)控中心。它能讓身體在24小時內(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“時鐘”是如何精確感知和計算時間的？

最近，依托懷柔科學城的多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學成像設施，北京大學生物醫(yī)學成像科學中心的程和平研究團隊揭開了SCN的計時秘密。他們發(fā)現(xiàn)，SCN神經(jīng)元通過集體決策機制實現(xiàn)時間編碼。這一發(fā)現(xiàn)不僅解開了生物鐘運行的部分奧秘，還為研究節(jié)律紊亂相關疾病的形成機制和潛在治療方案開辟了新的視角。

懷柔科學城多模態(tài)成像技術助力“時間之謎”研究

為探尋SCN的“時間編碼”機制，研究團隊通過自主研發(fā)的雙側雙光子顯微鏡，首次實現(xiàn)SCN近萬顆神經(jīng)元跨晝夜的鈣成像，獲得了哺乳動物生物鐘大數(shù)據(jù)。

同時研究團隊引入了人工智能技術，應用于大規(guī)模神經(jīng)集群的信號解碼，依托懷柔科學城的多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學成像設施的超算平臺，揭示了SCN基于神經(jīng)元集體決策的時間計算能力及機制。

發(fā)現(xiàn)一：集體決策的時間計算機制

研究團隊開發(fā)了基于生物鐘大數(shù)據(jù)的時間解碼器，發(fā)現(xiàn)其解碼準確率隨著神經(jīng)元數(shù)量的增加而顯著提升，當隨機組合來自同一SCN腦片的900個神經(jīng)元時，時間解碼準確率達到了99.0%。這一發(fā)現(xiàn)體現(xiàn)了SCN神經(jīng)元群體在時間編碼上的集體決策機制。

發(fā)現(xiàn)二：模塊化的時間表征模式

進一步研究發(fā)現(xiàn)，通過多尺度對比學習方法，識別SCN神經(jīng)元的功能亞型，闡明其在SCN空間中集聚形成雙側對稱、波紋狀的模塊化時間表征，其空間模式就像一只美麗的“時間蝴蝶”。這一模塊化的時間表征模式揭示了SCN時間特征表征的涌現(xiàn)性質。

多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學成像設施：解密生物鐘的“超級望遠鏡”

在解密生物鐘的研究中，懷柔科學城的多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學成像設施發(fā)揮了關鍵作用，為揭示SCN系統(tǒng)水平的集體決策機制和模塊化結構提供了重要的支持。

在此次研究過程中，除了北京大學國家生物醫(yī)學成像科學中心和王選計算機研究所之外，智源研究院作為中關村科學城的代表性研發(fā)機構，也通過AI和數(shù)據(jù)分析技術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，懷柔科學城與中關村科學城協(xié)同發(fā)力，展示了兩大科學城聯(lián)動的科研協(xié)同力。懷柔和中關村兩大科學城的合作，不僅讓這一突破性成果得以實現(xiàn)，也為北京建設國際科技創(chuàng)新中心增添了堅實的一環(huán)。

未來，懷柔科學城的多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學成像設施將繼續(xù)為神經(jīng)科學、生物醫(yī)學等領域的前沿探索提供技術保障，進一步推動“三城一區(qū)”協(xié)同下的科研創(chuàng)新，為探索生命奧秘貢獻力量。

審稿專家：

黃鐵軍：

北京大學計算機學院 教授；北京智源人工智能研究院 理事長

馬雷：

北京大學未來技術學院國家生物醫(yī)學成像中心 副研究員