人類和其他動物如何區分腐爛海鮮的氣味或成熟香蕉的誘人香味？紐約大學朗格尼健康中心及其同事的新研究利用人工製造的氣味來幫助揭示使一種氣味與另一種氣味區分開來的複雜事件鏈。研究結果今天發表在《科學》雜誌上。
在鼻子的深處有數百萬個感覺神經元，它們與我們的眼睛和耳朵一起，幫助我們 conjur 出我們周圍的世界。當受到有氣味的化學物質或氣味劑的刺激時，它們會將神經衝動傳送到數千個神經元簇，即腎小球，它們構成了嗅球，即大腦的氣味中心。已知腎小球啟用的不同模式會產生特定氣味的感覺。啟用一組腎小球會引發菠蘿的感知；啟用另一組會引發泡菜的感知。
與其他感覺（如視覺和聽覺）不同，科學家們不知道大腦使用特定氣味的哪些特性來感知它。當您看到一個人的臉時，您可能會記住眼睛，這有助於您在未來認出這個人。但是，耳朵和鼻子在大腦如何代表這個人方面可能不太重要。這項新研究的作者試圖確定形成大腦中氣味表徵的區分特徵。
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為了做到這一點，他們使用了一種稱為光遺傳學的技術來啟用小鼠的腎小球。光遺傳學使用光來刺激大腦中的特定神經元。它可以幫助確定特定大腦區域的功能。
透過啟用腎小球中某些活動模式，研究人員生成了小鼠感知為真實的“合成氣味”。他們首先訓練齧齒動物識別六個特定腎小球的開啟，導致它們感知到研究人員未知的氣味。當小鼠識別出正確的氣味並從噴嘴中獲得水時，它們會獲得水獎勵。當其他腎小球被啟用（產生不同的氣味）時，則沒有獎勵。
然後，研究作者改變了啟用腎小球的時間和混合，並觀察這樣做如何影響小鼠的行為。這一步使他們能夠確定每個腎小球對於準確識別氣味的重要性。實際上，給定的腎小球充當嗅球內自己的微型感覺器官。
他們發現腎小球啟用的順序對於氣味感知至關重要。當他們改變首先啟用哪個腎小球時，小鼠感知正確氣味的能力下降了 30%。當他們改變最後一個啟用的腎小球時，檢測能力僅下降了 5%。
“我們建立了一種人工啟用模式，或者說人工氣味，並訓練小鼠識別它，”該論文的資深作者、紐約大學朗格尼分校的神經科學家德米特里·林伯格解釋說。“然後我們修改了該模式，以檢視哪些線索對於形成對它的感知最重要。問題是，我們不知道小鼠實際聞到的是什麼——是蘋果還是橙子，是臭的還是令人愉悅的！”
林伯格將氣味感知比作歌曲的旋律：音符——在本例中代表啟用的腎小球——很重要。但如果沒有正確的時機，歌曲或感知體驗就會崩潰。更改旋律的第七個音符可能不會被注意到。交換前兩個可能會產生全新的曲調。當我們聞到氣味時，不僅與哪些腎小球被啟用有關，還與它們遵循的時間順序有關。
哈佛大學生物學教授文卡特什·N·默蒂專門研究嗅覺神經科學，但未參與這項研究，他指出，有大量證據表明腎小球啟用模式與氣味感知有關。不確定性在於，更高的大腦區域是否“讀取”這些啟用模式來識別氣味，以及啟用順序有多重要。“林伯格及其同事表明，時間很重要，”他說，“而且，此外，最早啟用的神經元對於識別氣味比那些稍後啟用的神經元更重要。在歌曲類比中，就好像前幾個音符是識別樂曲的關鍵（想想貝多芬的第五交響曲！）。”
林伯格希望將其研究更深入地推進到大腦中，以瞭解一旦接收到來自嗅球的資訊，器官的其他區域如何幫助感知氣味和物體。“我們離電影《駭客帝國》又近了一小步，”他開玩笑說。這部電影描繪了一個世界，它讓位於智慧計算機，這些計算機將人類貶低到一個在他們的大腦中建立的共享模擬現實中——類似於研究人員設計人工氣味的方式。“從某種意義上說，我們用氣味重現了這部電影，”林伯格補充道。