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、夜晚入眠的節律。

這個“時鐘”就是視交叉上核（SCN）——晝夜節律的精準調控中心。它能讓身體在24小時內保持一致的生物節律，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跨尺度生物醫學成像設施，北京大學生物醫學成像科學中心的程和平研究團隊揭開了SCN的計時秘密。他們發現，SCN神經元通過集體決策機制實現時間編碼。這一發現不僅解開了生物鐘運行的部分奧秘，還為研究節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的雙側雙光子顯微鏡，首次實現SCN近萬顆神經元跨晝夜的鈣成像，獲得了哺乳動物生物鐘大數據。

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

發現一：集體決策的時間計算機制

研究團隊開發了基于生物鐘大數據的時間解碼器，發現其解碼準確率隨著神經元數量的增加而顯著提升，當隨機組合來自同一SCN腦片的900個神經元時，時間解碼準確率達到了99.0%。這一發現體現了SCN神經元群體在時間編碼上的集體決策機制。

發現二：模塊化的時間表征模式

進一步研究發現，通過多尺度對比學習方法，識別SCN神經元的功能亞型，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性質。

多模態跨尺度生物醫學成像設施：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跨尺度生物醫學成像設施發揮了關鍵作用，為揭示SCN系統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機構，也通過AI和數據分析技術為此次研究提供了有力支持，作為“三城一區”的重要組成部分，懷柔科學城與中關村科學城協同發力，展示了兩大科學城聯動的科研協同力。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，也為北京建設國際科技創新中心增添了堅實的一環。

未來，懷柔科學城的多模態跨尺度生物醫學成像設施將繼續為神經科學、生物醫學等領域的前沿探索提供技術保障，進一步推動“三城一區”協同下的科研創新，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學成像中心 副研究員