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新研究揭示了大脑如何组织有关气味的信息

  • 科学
  • 2020-07-03 08:30:37
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1960年,电影《神秘气味》的首映式标志着电影史上的一个奇异事件:第一部也是最后一部电影首次亮相是“光荣的Smell-O-Vision”。为了给观众带来动感十足的嗅觉体验以及熟悉的视觉和听觉效果,精选影院配备了Rube Goldberg风格的设备,可将不同的气味直接输送到座位上。

观众和评论家很快得出结论,这种体验很糟糕。由于存在技术问题,Smell-O-Vision陷入了困境,并成为在娱乐历史上占有独特地位的堵嘴。但是,Smell-O-Vision的失败并没有阻止企业家继续追求通过数字气味技术向消费者传递气味的梦想,尤其是近年来。

此类努力已成为新闻头条,但收效甚微,部分原因是人们对大脑如何将气味化学物质转化为嗅觉的认识有限,这种现象在许多方面对科学家来说仍然是不透明的。

哈佛医学院神经生物学家的一项研究现在提供了有关气味之谜的新见解。在报告自然在7月1日,研究人员描述了首次如何不同的气味之间的关系在嗅皮质,大脑负责处理嗅觉的区域进行编码。

通过提供具有精心选择的分子结构的气味并分析清醒小鼠的神经活动,研究小组表明皮层中气味的神经元表示反映了气味之间的化学相似性,从而使气味能够被大脑分类。而且,这些表示可以通过感官经验重新连接。

这些发现提示了一种神经生物学机制,可以解释为什么人们有共同但高度个性化的嗅觉体验。

“我们每个人都有共同的嗅觉参考框架。您和我都认为柠檬和酸橙的气味相似,并同意它们的气味不同于披萨,但直到现在,我们还不知道大脑如何组织此类信息, HMS布拉瓦特尼克研究所神经生物学副教授,资深研究作者Sandeep Robert Datta说。

这些结果为更好地了解大脑如何将有关气味化学的信息转化为气味的感知开辟了新的研究途径。

达塔说:“这是嗅觉皮层如何编码有关其所负责的事物的信息的第一个证明,这是气味化学,嗅觉的基本感觉线索。”

计算气味

嗅觉使动物能够识别周围世界的化学性质。鼻子中的感觉神经元检测到气味分子,并将信号传递到嗅球,嗅球是发生最初气味处理的前脑结构。嗅球主要将信息传递到梨状皮层(嗅觉皮层的主要结构),以进行更全面的处理。

与光或声音不同,刺激容易通过调整频率和波长等特性来控制,因此很难探究大脑如何构建传递气味的小分子的神经表示。通常,细微的化学变化(此处的碳原子数或那里的氧原子数)会导致嗅觉的显着差异。

达塔(Datta)与研究的第一作者斯坦福·帕什科夫斯基(Stan Pashkovski),HMS的神经生物学研究员及其同事通过着眼于大脑如何识别相关但独特的气味这一问题来应对这一挑战。

达塔说:“我们所有人都认为柠檬和酸橙的气味相似,这意味着它们的化学成分必须以某种方式唤起我们大脑中相似或相关的神经表示。”

为了进行调查,研究人员开发了一种定量比较气味化学物质的方法,类似于如何使用波长差异来定量比较光的颜色。

他们使用机器学习技术研究了成千上万种已知具有气味的化学结构,并分析了每种结构的数千种不同特征,例如原子数,分子量,电化学性质等。这些数据加在一起,使研究人员能够系统地计算出任何气味相对于另一种气味的相似或不同之处。

该小组从该库中设计了三组气味:一组具有高度的异味;另一组具有较高的气味。一种具有中等多样性,气味分为相关簇;低多样性之一,其结构仅因碳链长度的增加而变化。

然后,他们将小鼠暴露于不同组的各种气味组合中,并使用多光子显微镜对梨状皮层和嗅球中的神经活动进行成像。

气味预测

实验表明,气味化学的相似性被神经活动的相似性所反映。通过神经元活动的重叠来测量,相关气味在梨状皮层和嗅球中均产生了相关的神经元模式。相反,弱相关的气味产生了弱相关的活动模式。

与嗅球相比,在皮层中,相关的气味导致神经活动的模式更加集中。该观察结果适用于各个小鼠。嗅觉关系的皮质表示是如此相关,以至于可以根据在另一只小鼠上进行的测量,将它们用于预测一只老鼠中保留的气味的身份。

进一步的分析确定了多种化学特征,例如分子量和某些电化学性质,这些特征与神经活动的模式有关。从这些特征中收集到的信息足够强大,足以根据对另一只动物的另一套气味进行的实验,预测一只动物对气味的皮质反应。

研究人员还发现,这些神经表示很灵活。反复给小鼠两种气味的混合物,随着时间的流逝,皮层中这些气味的相应神经模式变得更加紧密相关。即使两种气味的化学结构不同,也会发生这种情况。

皮质的适应能力部分是由选择性重塑气味关系的神经元网络产生的。当这些网络的正常活动被阻止时,皮层编码的气味更像嗅球。

达塔说:“我们呈现出两种气味,好像它们来自同一来源,并观察到大脑可以重新排列以反映被动嗅觉。”

他补充说,柠檬和酸橙之类的东西闻起来一样的部分原因可能是因为同一物种的动物具有相似的基因组,因此嗅觉相似。但是每个人也都有个性化的看法。

达塔说:“皮质的可塑性可能有助于解释为什么气味一方面在人与人之间是不变的,但仍可以根据我们的独特经验进行定制。”

这项研究的结果一起首次证明了大脑如何编码气味之间的关系。与相对容易理解的视觉和听觉皮层相比,嗅觉皮层如何将有关气味化学的信息转换为嗅觉尚不清楚。

这组作者说,识别嗅觉皮层如何映射相似的气味现在提供了新的见解,为理解和潜在控制气味感的努力提供了信息。

达塔说:“我们还不完全了解化学如何转化为感知。”“没有计算机算法或机器会采用一种化学结构并告诉我们该化学物质会发出什么样的气味。”

达塔说:“要真正制造这种机器并有朝一日能为一个人创造一个可控的虚拟嗅觉世界,我们需要了解大脑如何编码有关气味的信息。”“我们希望我们的发现是沿着这条道路迈出的一步。”

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