科學(xué)家們進(jìn)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(shù)千種氣味區(qū)別開來。

在老鼠的實驗中，紐約大學(xué)格羅斯曼醫(yī)學(xué)院的研究人員首次創(chuàng)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(chǎn)生的，因此研究人員可以控制相關(guān)神經(jīng)信號傳遞的時間和順序，并確定哪些變化對小鼠準(zhǔn)確識別“合成氣味”的能力最重要。

“對大腦如何分辨異味進(jìn)行解碼很復(fù)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(xué)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(jù)視覺提示(例如眼睛)來識別人。” “但是，大腦所記錄的這些區(qū)別特征尚未為每種氣味找到。”

最新的研究結(jié)果于6月18日在線發(fā)表在《科學(xué)》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(fā)了鼻子周圍的受體細(xì)胞，將電信號發(fā)送到燈泡中稱為腎小球的神經(jīng)末梢束，然后再發(fā)送到腦細(xì)胞(神經(jīng)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?shù)酱竽X皮層，大腦皮層控制著動物對氣味的感知，反應(yīng)和記憶方式。但是，由于氣味會隨時間變化并與其他物質(zhì)混合在一起，因此科學(xué)家迄今為止一直難以在多種類型的神經(jīng)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(jù)另一家實驗室進(jìn)行基因工程改造的小鼠的可用性設(shè)計了實驗，以使它們的腦細(xì)胞可以通過向它們照射光而被激活-這種技術(shù)稱為光遺傳學(xué)。接下來，他們訓(xùn)練小鼠識別六種腎小球的光激活所產(chǎn)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(xiàn)出的鼠標(biāo)感知：它對合成氣味信號起作用以獲取獎勵的準(zhǔn)確性。

具體來說，研究人員發(fā)現(xiàn)，改變每個定義氣味的組中的哪個腎小球首先被激活，會導(dǎo)致鼠標(biāo)正確感知氣味信號并獲取水的能力下降多達(dá)30%。每組中最后一個腎小球的變化使準(zhǔn)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(zhǔn)確性的延遲或中斷。他們的模型嚴(yán)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(tuán)隊能夠篩選出許多變量并確定哪些氣味特征突出。

“現(xiàn)在，我們有打破腎小球激活的時機(jī)和順序的模型，我們可以檢查的最小數(shù)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(jīng)生物學(xué)家梅德Rinberg博士。

紐約大學(xué)蘭根分校及其神經(jīng)科學(xué)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(yè)的小鼠則有1200多種。

Rinberg補(bǔ)充說：“我們的結(jié)果首次確定了大腦如何將感官信息轉(zhuǎn)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(lǐng)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(wèi)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(xué)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。