Science:大脑如何感知气味?
作者: mints 编译 / 775次阅读 时间: 2020年6月27日
标签: 嗅觉 嗅球
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科学家们解码了哺乳动物的大脑如何感知气味,如何将一种气味与成千上万种气味区分开来。

纽约大学格罗斯曼医学院(Grossman School of Medicine)的研究人员通过在老鼠身上进行的实验,首次发现了大脑嗅觉处理中心——嗅球——创造的一种(并不存在的,可以被视为气味的)电信号。

科学家通过电信号在老鼠大脑中模拟了相关的气味,操纵了相关神经信号的时间和顺序,并且确定对于小鼠准确识别「合成气味」的能力而言,哪些变化是最重要的。

「解码大脑如何分辨气味是一项特别复杂的研究,一部分原因是因为嗅觉与视觉等其他感官不同,我们还不知道个人气味中最重要的一些方面,」研究负责人Edmund Chong女士说,她是NYU Langone Health的博士生,「例如,在面部识别中,即使在鼻子和耳朵被遮挡的情况下,大脑可以根据一些视觉线索(例如,仅仅观察眼睛就能)识别人,但是,目前还不清楚在大脑中记录的每一种气味的嗅觉鉴别特征。」

红色为嗅球

6月18日发表在《科学》杂志网络版上的最新研究,其关注的重点是动物和人类鼻子后面的嗅球。过去的研究表明,空气中的气味分子会触发鼻子里的受体细胞将电信号发送到嗅球中被称为嗅小球的神经末梢束,然后再发送到脑细胞(神经元)。

研究人员说,现已知道,每一种气味在嗅小球中激活的时间和顺序是特有的,信号在激活之后被传递到大脑皮层,大脑皮层控制动物对气味的感知、反应和记忆。但由于气味会随着时间的推移而变化,并与其他气味混合在一起,直到现在,科学家们都一直努力在几种类型的神经元中精确地追踪的单一气味特征。

在这项新的研究中,研究人员通过光照射激活了老鼠的脑细胞——这项技术被称为光遗传学。

接下来,他们训练老鼠识别一种通过光照激活了六个嗅小球后而产生的信号,该信号类似于一种气味模式,研究人员训练老鼠在感知到正确的「气味」时,按下一个杠杆,这样老鼠才会得到奖励——喝水。

如果老鼠在激活一组不同的嗅小球(模拟不同的气味)后按下杠杆,它们就不会有水喝。利用这个模型,研究人员改变了激活嗅小球的时间和组合,以观察到每一个变化如何影响老鼠的感知,这些都反映在一种行为上:它作用于合成气味信号以获得奖赏的准确性。

具体来说,研究人员发现,改变每个气味定义集合中的那个首先被激活的嗅小球,会导致老鼠正确感知气味信号和获取水分的能力下降30%。每一组中最后一个嗅小球的变化在准确的气味感知上只有5%的下降。

研究人员说,嗅小球激活的时间「就像旋律中的音符」一起工作,「音符」一开始的延迟或中断降低了准确性。在他们的模型中,对小鼠何时、多少以及哪些受体和嗅嗅小球被激活的严格控制,使研究小组能够筛选出许多变量,并确定哪些气味有着显著的特征。

「现在我们已经有了一个可以分解嗅小球激活的时间和顺序的模型,我们可以检查嗅球所需的最低数量和种类的受体,以识别特定的气味。」研究高级研究员和神经生物学家Dmitry Rinberg博士说。

纽约大学兰贡分校及其神经科学研究所的副教授林伯格说,众所周知,人类的鼻子有大约350种不同的气味受体,而嗅觉更为特殊的老鼠则有1200多种。

「我们的研究结果首次确定了大脑将气味感官信息转化为嗅觉感知代码的过程,」Rinberg补充道,「这让我们能够更进一步回答这一领域长期存在的问题——即,大脑如何提取感觉信息来唤起行为。」

国家卫生研究院拨款R01 NS109961为研究提供资金支持。

除了Chong和Rinberg之外,纽约大学参与这项研究的其他研究人员还有Christopher Wilson博士和Shy Shoham博士。其他研究共同调查者包括Monica Moroni博士和意大利罗夫雷托意大利技术学院的 Stefano Panzeri博士。 

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