你是怎么闻出味道的?

2020-11-14 16:46:55 0点赞 9收藏 0评论

你是怎么闻出味道的?

1960年,电影《神秘的气味》(Scent of Mystery)上映标志着电影史上一个奇异事件:这是第一次,也是最后一次那不光彩的“Smell-O-Vision”亮相——为了给观众带来动态的嗅觉体验以及熟悉的视觉和听觉效果,影院配备了鲁布·戈德堡风格*的设备,能够将不同的气味直接输送到座位上。

*译者注

鲁布·戈德堡是一位美国漫画家,他在漫画中创造出一种机械,以迂回曲折的方法去完成一些其实非常简单的工作。这种风格用以形容夸张、极其繁复且毫无必要的事物(参考wikipedia)。

但是,观众和评论家们很快就发现这种体验十分糟糕。Smell-O-Vision充满了技术问题,并成为娱乐界的黑历史(running gag)。即便如此,Smell-O-Vision的失败也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,尤其是近些年来。

类似的努力成为了新闻头条,但是收效甚微。部分原因是人们对大脑如何将气味的化学物质转化为嗅觉的认识还很有限——这个过程对于科学家们来说仍然有很多未知。

哈佛医学院(Harvard Medical School)神经生物学家的一项研究提供了有关气味之谜的新见解。研究人员在7月1日于《自然》杂志上发表了一篇文章,首次描述了嗅觉皮层如何编码不同气味。

你是怎么闻出味道的?

- Marly Gallardo -

使用精心选择过的分子结构的气味进行刺激,并分析清醒小鼠的神经活动,研究小组发现皮层中气味的神经表征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。并且,这些表征可以通过感觉经验重新连接。

这些发现提示了一种神经生物学机制,用以解释为什么人们拥有共同的,但却高度个性化的嗅觉体验。

“我们所有人都有一个共同的嗅觉感知框架。你和我都认同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,我们仍不知道大脑如何组织这类信息。”来自哈佛医学院布拉瓦特尼克研究所(Blavatnik Institute at HMS)的副教授,资深研究作者桑迪普·罗伯特·达塔(Sandeep Robert Datta)说。

这些结果为更好地理解大脑如何将气味的化学信息转化为气味感知开辟了新的研究途径。

达塔说:“这是关于嗅觉皮层如何编码气味化学信息的第一个阐释。气味的化学信息,则是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本质。鼻腔中的感觉神经元检测到气味分子,然后将信号传递到嗅球(OB, olfactory bulb)。嗅球是进行初级嗅觉加工的前脑结构。嗅球主要将信息传递到梨状皮层(piriform cortex),这里是嗅觉皮层的主要结构,能够对气味信息进行更全面的处理。

你是怎么闻出味道的?

- Marly Gallardo -

不像光或者声音这种容易通过调整频率和波长等特性来控制的刺激,我们很难探究大脑如何建立传递气味的小小分子的神经表征。通常,细微的化学变化,例如这里的碳原子数或者那里的氧原子数,都有可能导致嗅觉上的显著差异。

达塔与该研究的第一作者斯坦·帕什科夫斯基(Stan Pashkovski),哈佛医学院的一位研究员,以及他们的同事们,通过关注大脑如何识别相关但不同的气味来突破这一问题。

达塔说:“一个事实是,几乎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组成必须以某种方式唤起大脑中相似或相关的神经表征。”

为了进行调查,研究人员开发了一种方法来定量比较气味化学物质,类似于使用波长差异来定量比较光的颜色

你是怎么闻出味道的?

他们使用机器学习技术研究了成千上万种已知气味的化学结构,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有多相似或不同。

该小组从数据库中设计出三组气味:一组气味具有高度的差异;一组具有中等差异,气味被分成相关的簇;另一组具有低差异性,其中的气味仅仅因为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。

嗅觉的预测

实验表明,神经活动的相似性反映着气味化学的相似性。相关联的气味在梨状皮层和嗅球中均产生了相关的神经元模式,表现为在两个区域测量到的神经元活动的重叠。相反地,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。研究者在不同的小鼠上都观察到了这一现象。气味关系的皮层表征十分相关,以至于可以根据在一只小鼠上进行的测量来预测另一只小鼠对气味的特异性识别。

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- Marly Gallardo -

进一步的分析确定了一系列化学特征,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以根据对一只动物的一套气味进行的实验结果,来预测另一只动物对另一套气味的皮层反应。

研究人员还发现,这些神经表征很灵活。反复给小鼠两种气味的混合物,随着时间的推移,这些气味在皮层中相应的神经模式变的更加紧密相关。即便两种气味的化学结构不同,也会发生这种情况。

皮层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,皮层编码气味的方式就会更像嗅球。

达塔说:“我们呈现出两种气味,好像它们有相同的来源,并观察到大脑能够自我重排来反映被动的嗅觉经验。”

柠檬和酸橙之类的东西闻起来相似的部分原因可能是同一物种的动物具有相似的基因组,因此嗅觉相似。但是每个个体也都有个性化的嗅觉感知

你是怎么闻出味道的?

达塔说:“皮层的可塑性可能有助于解释为何每个个体能够对气味进行独特的感知,尽管气味在个体与个体之间是不变的。”

这项研究的结果首次阐明了大脑如何编码气味。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仍旧不清楚。

研究团队说,认识嗅觉皮层如何映射相似的气味现如今为理解并可能控制气味感知提供了新的见解

“我们还不完全了解化学物质如何转化为感知。”达塔说,“没有计算机算法或机器会用某种化学结构告诉我们该化学物质会发出怎样的气味。”

“如果要真正制造出一台机器,让它有朝一日能够为人创造一个可控的虚拟嗅觉世界,我们仍需要了解大脑是如何编码有关气味的信息的。”达塔说,“希望我们的发现是沿着这条道路迈出的一步。”

作者:Kevin Jiang | 封面:Marly Gallardo

译者:指纹 | 审校:杜彧

排版:北方

原文:

www.sciencedaily.com/releases/2020/07/200702144119.htm

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