科學家解碼大腦如何嗅到氣味

科學家們進一步解碼了哺乳動物大腦如何感知氣味并將一種氣味與數千種氣味區別開來。

在老鼠的實驗中，紐約大學格羅斯曼醫學院的研究人員首次創建了一種電信號，即使該氣味不存在，它也會在大腦的氣味處理中心即嗅球中被視為一種氣味。

由于氣味模擬信號是人為產生的，因此研究人員可以控制相關神經信號傳遞的時間和順序，并確定哪些變化對小鼠準確識別“合成氣味”的能力最重要。

“對大腦如何分辨異味進行解碼很復雜，部分原因是與視覺等其他感官不同，我們尚不了解單個異味的最重要方面，”研究主任研究員埃德蒙·沖(Edmund Chong)博士說，紐約大學Langone健康。Chong說：“例如，在面部識別中，大腦即使沒有看到別人的鼻子和耳朵，也可以根據視覺提示(例如眼睛)來識別人。” “但是，大腦所記錄的這些區別特征尚未為每種氣味找到。”

最新的研究結果于6月18日在線發表在《科學》雜志上，重點是嗅球，該球位于動物和人類的鼻子后面。過去的研究表明，與氣味相連的空氣傳播分子觸發了鼻子周圍的受體細胞，將電信號發送到燈泡中稱為腎小球的神經末梢束，然后再發送到腦細胞(神經元)。

研究人員說，眾所周知，腎小球激活的時間和順序是每種氣味所獨有的，然后信號傳輸到大腦皮層，大腦皮層控制著動物對氣味的感知，反應和記憶方式。但是，由于氣味會隨時間變化并與其他物質混合在一起，因此科學家迄今為止一直難以在多種類型的神經元中精確跟蹤單個氣味特征。

對于這項新研究，研究人員根據另一家實驗室進行基因工程改造的小鼠的可用性設計了實驗，以使它們的腦細胞可以通過向它們照射光而被激活-這種技術稱為光遺傳學。接下來，他們訓練小鼠識別六種腎小球的光激活所產生的信號-已知它們類似于一種由氣味引起的模式-通過僅在感知到正確的“氣味”并按下操縱桿時給予它們水獎勵。

如果小鼠在激活另一組腎小球(模擬不同的氣味)后推動杠桿，則它們將沒有水。研究人員使用這種模型改變了激活的腎小球的時間和混合，注意到每種變化如何影響行為表現出的鼠標感知：它對合成氣味信號起作用以獲取獎勵的準確性。

具體來說，研究人員發現，改變每個定義氣味的組中的哪個腎小球首先被激活，會導致鼠標正確感知氣味信號并獲取水的能力下降多達30%。每組中最后一個腎小球的變化使準確的嗅覺降低了5%。

研究人員說，腎小球激活的時間“像旋律中的音符”一起工作，早期的“音符”降級準確性的延遲或中斷。他們的模型嚴格控制了小鼠何時，多少以及哪些受體和腎小球被激活，這使得該團隊能夠篩選出許多變量并確定哪些氣味特征突出。

“現在，我們有打破腎小球激活的時機和順序的模型，我們可以檢查的最小數量和種類由嗅球識別特定的氣味所需要的受體，”研究的高級研究員和神經生物學家梅德Rinberg博士。

紐約大學蘭根分校及其神經科學研究所副教授林伯格說，眾所周知，人的鼻子有約350種不同的氣味受體，而嗅覺更為專業的小鼠則有1200多種。

Rinberg補充說：“我們的結果首次確定了大腦如何將感官信息轉換為對某種事物(在這種情況下為氣味)的感知的代碼。” “這使我們更接近回答我們領域中長期存在的問題，即大腦如何提取感覺信息來喚起行為。”

美國國立衛生研究院(National Institutes of Health)資助R01 NS109961為這項研究提供了資金支持。

除Chong和Rinberg外，參與這項研究的其他紐約大學研究人員還有Christopher Wilson博士;和Shy Shoham博士。其他研究共同研究人員包括Monica Moroni博士;和位于意大利羅韋雷托的Tecnologia Italiano di Tecnologia的Stefano Panzeri博士。