我们随时都在体验着大脑的时间控制——说话时字词精准衔接、清晨自然醒来、冬季情绪变化、夏季容易犯困。这些看似平常的生命活动，背后都依赖大脑在多重时间尺度上的精确协调。从毫秒级的动作控制，到24小时的昼夜节律，再到跨季节的生理适应，大脑如何统一管理这些不同节奏的时钟，至今仍是神经科学尚未完全解决的核心问题。

北京大学生命科学学院罗冬根团队聚焦“大脑多尺度定时机制”，运用实验室领先的活体果蝇多电极膜片钳电生理技术，结合大脑连接组学、光遗传学和定量行为分析等前沿手段，系统探索大脑不同时钟的工作机制。近日，团队与首都医科大学曹丽慧团队合作，在毫秒级定时领域取得进展，成果发表于《自然神经科学》（Nature Neuroscience）。

神经元多米诺：运动神经元编排毫秒级动作的次序放电。领头运动神经元激活后，一边驱动肌肉收缩，一边向大脑发送抑制信号，“松开”下一个运动神经元的刹车。级联效应在毫秒间依次传递，最终完成有序而精准的吮吸动作

研究团队以果蝇维系生存的吮吸行为（每秒约7次）为切入点，成功创建了可在果蝇自然进食状态下进行同步四电极膜片钳记录的系统，精准捕捉其大脑食管下区（相当于脊椎动物的脑干）4种关键吮吸运动神经元的毫秒级放电与吮吸行为的同步实时动态，为解析精细运动序列的神经机制搭建了一套在单细胞精度上操控和记录的研究体系。

在经典教科书中，运动神经元被视为大脑运动指令的“最终共同通路”，功能如同被动的“搬运工”，负责将中枢编码好的运动指令忠实地传递至外周肌肉。然而，团队发现，果蝇的吮吸节律所依赖的运动神经元精确放电序列并非由运动神经元的上游（中枢神经元）产生的时序指令驱动，而是由运动神经元通过“前馈去抑制级联”主动编排而成：领头运动神经元被激活后，在兴奋靶肌肉的同时，还抑制了脑内原本持续放电的抑制性中间神经元，精准松开下一个运动神经元的“刹车”。级联效应如“神经多米诺”在毫秒间依次沿下游运动神经元传播，最终实现果蝇食窦肌肉间协调而有序的收缩。

该机制的核心优势在于其高度的稳定性：无论食物稀稠、吮吸快慢，运动神经元都能根据自身活动产生实时稳定序列，放电次序和间隔固定不变。计算建模与大脑连接组学分析证实，前馈去抑制架构的噪声耐受性和系统鲁棒性显著优于传统的“链式激活”的时序模型，从而为复杂环境下的本能行为提供极高的执行精度。

从毫秒到昼夜再到季节，团队正系统解析“大脑多尺度定时机制”，同步推进24小时昼夜节律维持及正在进行中的跨越更大时间尺度的季节时间测量等前沿研究。本研究不仅揭示了毫秒级定时的新机制，更新了运动控制的基础认知，也为运动紊乱及节律相关疾病的干预提供了新的思路。

北京大学隋秀文博士、仪俊杰博士和周瑶博士为论文共同第一作者，博士生王野力和张鑫作出重要贡献，罗冬根、曹丽慧为论文的共同通讯作者。纽约Flatiron研究所涂豫海研究员提供合作指导。