科学家解码大脑如何嗅到气味

科学家们进一步解码了哺乳动物大脑如何感知气味并将一种气味与数千种气味区别开来。

在老鼠的实验中，纽约大学格罗斯曼医学院的研究人员首次创建了一种电信号，即使该气味不存在，它也会在大脑的气味处理中心即嗅球中被视为一种气味。

由于气味模拟信号是人为产生的，因此研究人员可以控制相关神经信号传递的时间和顺序，并确定哪些变化对小鼠准确识别“合成气味”的能力最重要。

“对大脑如何分辨异味进行解码很复杂，部分原因是与视觉等其他感官不同，我们尚不了解单个异味的最重要方面，”研究主任研究员埃德蒙·冲(Edmund Chong)博士说，纽约大学Langone健康。Chong说：“例如，在面部识别中，大脑即使没有看到别人的鼻子和耳朵，也可以根据视觉提示(例如眼睛)来识别人。” “但是，大脑所记录的这些区别特征尚未为每种气味找到。”

最新的研究结果于6月18日在线发表在《科学》杂志上，重点是嗅球，该球位于动物和人类的鼻子后面。过去的研究表明，与气味相连的空气传播分子触发了鼻子周围的受体细胞，将电信号发送到灯泡中称为肾小球的神经末梢束，然后再发送到脑细胞(神经元)。

研究人员说，众所周知，肾小球激活的时间和顺序是每种气味所独有的，然后信号传输到大脑皮层，大脑皮层控制着动物对气味的感知，反应和记忆方式。但是，由于气味会随时间变化并与其他物质混合在一起，因此科学家迄今为止一直难以在多种类型的神经元中精确跟踪单个气味特征。

对于这项新研究，研究人员根据另一家实验室进行基因工程改造的小鼠的可用性设计了实验，以使它们的脑细胞可以通过向它们照射光而被激活-这种技术称为光遗传学。接下来，他们训练小鼠识别六种肾小球的光激活所产生的信号-已知它们类似于一种由气味引起的模式-通过仅在感知到正确的“气味”并按下操纵杆时给予它们水奖励。

如果小鼠在激活另一组肾小球(模拟不同的气味)后推动杠杆，则它们将没有水。研究人员使用这种模型改变了激活的肾小球的时间和混合，注意到每种变化如何影响行为表现出的鼠标感知：它对合成气味信号起作用以获取奖励的准确性。

具体来说，研究人员发现，改变每个定义气味的组中的哪个肾小球首先被激活，会导致鼠标正确感知气味信号并获取水的能力下降多达30%。每组中最后一个肾小球的变化使准确的嗅觉降低了5%。

研究人员说，肾小球激活的时间“像旋律中的音符”一起工作，早期的“音符”降级准确性的延迟或中断。他们的模型严格控制了小鼠何时，多少以及哪些受体和肾小球被激活，这使得该团队能够筛选出许多变量并确定哪些气味特征突出。

“现在，我们有打破肾小球激活的时机和顺序的模型，我们可以检查的最小数量和种类由嗅球识别特定的气味所需要的受体，”研究的高级研究员和神经生物学家梅德Rinberg博士。

纽约大学兰根分校及其神经科学研究所副教授林伯格说，众所周知，人的鼻子有约350种不同的气味受体，而嗅觉更为专业的小鼠则有1200多种。

Rinberg补充说：“我们的结果首次确定了大脑如何将感官信息转换为对某种事物(在这种情况下为气味)的感知的代码。” “这使我们更接近回答我们领域中长期存在的问题，即大脑如何提取感觉信息来唤起行为。”

美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)资助R01 NS109961为这项研究提供了资金支持。

除Chong和Rinberg外，参与这项研究的其他纽约大学研究人员还有Christopher Wilson博士;和Shy Shoham博士。其他研究共同研究人员包括Monica Moroni博士;和位于意大利罗韦雷托的Tecnologia Italiano di Tecnologia的Stefano Panzeri博士。