原創(chuàng) Kevin Jiang 神經(jīng)現(xiàn)實(shí) 收錄于話題#深度 | Deep-diving123個(gè)

1960年，電影《神秘的氣味》（Scent of Mystery）上映標(biāo)志著電影史上一個(gè)奇異事件：這是第一次，也是最后一次那不光彩的“Smell-O-Vision”亮相——為了給觀眾帶來動(dòng)態(tài)的嗅覺體驗(yàn)以及熟悉的視覺和聽覺效果，影院配備了魯布·戈德堡風(fēng)格*的設(shè)備，能夠?qū)⒉煌臍馕吨苯虞斔偷阶簧稀?p>

*譯者注

魯布·戈德堡是一位美國漫畫家，他在漫畫中創(chuàng)造出一種機(jī)械，以迂回曲折的方法去完成一些其實(shí)非常簡單的工作。這種風(fēng)格用以形容夸張、極其繁復(fù)且毫無必要的事物（參考wikipedia）。

但是，觀眾和評(píng)論家們很快就發(fā)現(xiàn)這種體驗(yàn)十分糟糕。Smell-O-Vision充滿了技術(shù)問題，并成為娛樂界的黑歷史（running gag）。即便如此，Smell-O-Vision的失敗也沒有阻止企業(yè)家繼續(xù)追求通過數(shù)字氣味技術(shù)向消費(fèi)者傳遞氣味的夢想，尤其是近些年來。

類似的努力成為了新聞?lì)^條，但是收效甚微。部分原因是人們對(duì)大腦如何將氣味的化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為嗅覺的認(rèn)識(shí)還很有限——這個(gè)過程對(duì)于科學(xué)家們來說仍然有很多未知。

哈佛醫(yī)學(xué)院（Harvard Medical School）神經(jīng)生物學(xué)家的一項(xiàng)研究提供了有關(guān)氣味之謎的新見解。研究人員在7月1日于《自然》雜志上發(fā)表了一篇文章，首次描述了嗅覺皮層如何編碼不同氣味。

- Marly Gallardo -

使用精心選擇過的分子結(jié)構(gòu)的氣味進(jìn)行刺激，并分析清醒小鼠的神經(jīng)活動(dòng)，研究小組發(fā)現(xiàn)皮層中氣味的神經(jīng)表征反映了氣味之間的化學(xué)相似性，從而使氣味能夠被大腦分類。并且，這些表征可以通過感覺經(jīng)驗(yàn)重新連接。

這些發(fā)現(xiàn)提示了一種神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制，用以解釋為什么人們擁有共同的，但卻高度個(gè)性化的嗅覺體驗(yàn)。

“我們所有人都有一個(gè)共同的嗅覺感知框架。你和我都認(rèn)同檸檬和酸橙的氣味相似，并同意它們的氣味不同于披薩。但直到現(xiàn)在，我們?nèi)圆恢来竽X如何組織這類信息?！眮碜怨疳t(yī)學(xué)院布拉瓦特尼克研究所（Blavatnik Institute at HMS）的副教授，資深研究作者桑迪普·羅伯特·達(dá)塔（Sandeep Robert Datta）說。

這些結(jié)果為更好地理解大腦如何將氣味的化學(xué)信息轉(zhuǎn)化為氣味感知開辟了新的研究途徑。

達(dá)塔說：“這是關(guān)于嗅覺皮層如何編碼氣味化學(xué)信息的第一個(gè)闡釋。氣味的化學(xué)信息，則是嗅覺的基本感覺線索。”

計(jì)算氣味

嗅覺使動(dòng)物能夠識(shí)別周圍世界的化學(xué)本質(zhì)。鼻腔中的感覺神經(jīng)元檢測到氣味分子，然后將信號(hào)傳遞到嗅球（OB, olfactory bulb）。嗅球是進(jìn)行初級(jí)嗅覺加工的前腦結(jié)構(gòu)。嗅球主要將信息傳遞到梨狀皮層（piriform cortex），這里是嗅覺皮層的主要結(jié)構(gòu)，能夠?qū)馕缎畔⑦M(jìn)行更全面的處理。

- Marly Gallardo -

不像光或者聲音這種容易通過調(diào)整頻率和波長等特性來控制的刺激，我們很難探究大腦如何建立傳遞氣味的小小分子的神經(jīng)表征。通常，細(xì)微的化學(xué)變化，例如這里的碳原子數(shù)或者那里的氧原子數(shù)，都有可能導(dǎo)致嗅覺上的顯著差異。

達(dá)塔與該研究的第一作者斯坦·帕什科夫斯基（Stan Pashkovski），哈佛醫(yī)學(xué)院的一位研究員，以及他們的同事們，通過關(guān)注大腦如何識(shí)別相關(guān)但不同的氣味來突破這一問題。

達(dá)塔說：“一個(gè)事實(shí)是，幾乎所有人都認(rèn)為檸檬和酸橙的氣味相似，這意味著它們的化學(xué)組成必須以某種方式喚起大腦中相似或相關(guān)的神經(jīng)表征?！?/p>

為了進(jìn)行調(diào)查，研究人員開發(fā)了一種方法來定量比較氣味化學(xué)物質(zhì)，類似于使用波長差異來定量比較光的顏色。

他們使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)研究了成千上萬種已知?dú)馕兜幕瘜W(xué)結(jié)構(gòu)，并分析了每種結(jié)構(gòu)的數(shù)千種不同特征，例如原子數(shù)，分子量，電化學(xué)性質(zhì)等。這些數(shù)據(jù)加在一起，使研究人員能夠系統(tǒng)地計(jì)算出任何氣味相對(duì)于另一種氣味有多相似或不同。

該小組從數(shù)據(jù)庫中設(shè)計(jì)出三組氣味：一組氣味具有高度的差異；一組具有中等差異，氣味被分成相關(guān)的簇；另一組具有低差異性，其中的氣味僅僅因?yàn)樘兼滈L度的增加而變化。

然后，他們將小鼠暴露于不同組的各種氣味組合中，并使用多光子顯微鏡對(duì)梨狀皮層和嗅球中的神經(jīng)活動(dòng)進(jìn)行成像。

嗅覺的預(yù)測

實(shí)驗(yàn)表明，神經(jīng)活動(dòng)的相似性反映著氣味化學(xué)的相似性。相關(guān)聯(lián)的氣味在梨狀皮層和嗅球中均產(chǎn)生了相關(guān)的神經(jīng)元模式，表現(xiàn)為在兩個(gè)區(qū)域測量到的神經(jīng)元活動(dòng)的重疊。相反地，弱相關(guān)的氣味產(chǎn)生了弱相關(guān)的活動(dòng)模式。

與嗅球相比，在皮層中，相關(guān)的氣味導(dǎo)致神經(jīng)活動(dòng)的模式更加集中。研究者在不同的小鼠上都觀察到了這一現(xiàn)象。氣味關(guān)系的皮層表征十分相關(guān)，以至于可以根據(jù)在一只小鼠上進(jìn)行的測量來預(yù)測另一只小鼠對(duì)氣味的特異性識(shí)別。

- Marly Gallardo -

進(jìn)一步的分析確定了一系列化學(xué)特征，例如分子量和某些電化學(xué)性質(zhì)。這些特征與神經(jīng)活動(dòng)的模式有關(guān)。從這些特征中收集到的信息足以根據(jù)對(duì)一只動(dòng)物的一套氣味進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，來預(yù)測另一只動(dòng)物對(duì)另一套氣味的皮層反應(yīng)。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，這些神經(jīng)表征很靈活。反復(fù)給小鼠兩種氣味的混合物，隨著時(shí)間的推移，這些氣味在皮層中相應(yīng)的神經(jīng)模式變的更加緊密相關(guān)。即便兩種氣味的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，也會(huì)發(fā)生這種情況。

皮層的適應(yīng)能力部分是由選擇性重塑氣味關(guān)系的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的。當(dāng)這些網(wǎng)絡(luò)的正常活動(dòng)被阻止時(shí)，皮層編碼氣味的方式就會(huì)更像嗅球。

達(dá)塔說：“我們呈現(xiàn)出兩種氣味，好像它們有相同的來源，并觀察到大腦能夠自我重排來反映被動(dòng)的嗅覺經(jīng)驗(yàn)。”

檸檬和酸橙之類的東西聞起來相似的部分原因可能是同一物種的動(dòng)物具有相似的基因組，因此嗅覺相似。但是每個(gè)個(gè)體也都有個(gè)性化的嗅覺感知。

達(dá)塔說：“皮層的可塑性可能有助于解釋為何每個(gè)個(gè)體能夠?qū)馕哆M(jìn)行獨(dú)特的感知，盡管氣味在個(gè)體與個(gè)體之間是不變的。”

這項(xiàng)研究的結(jié)果首次闡明了大腦如何編碼氣味。與相對(duì)容易理解的視覺和聽覺皮層相比，嗅覺皮層如何將有關(guān)氣味化學(xué)的信息轉(zhuǎn)換為嗅覺仍舊不清楚。

研究團(tuán)隊(duì)說，認(rèn)識(shí)嗅覺皮層如何映射相似的氣味現(xiàn)如今為理解并可能控制氣味感知提供了新的見解。

“我們還不完全了解化學(xué)物質(zhì)如何轉(zhuǎn)化為感知。”達(dá)塔說，“沒有計(jì)算機(jī)算法或機(jī)器會(huì)用某種化學(xué)結(jié)構(gòu)告訴我們該化學(xué)物質(zhì)會(huì)發(fā)出怎樣的氣味?！?/p>

“如果要真正制造出一臺(tái)機(jī)器，讓它有朝一日能夠?yàn)槿藙?chuàng)造一個(gè)可控的虛擬嗅覺世界，我們?nèi)孕枰私獯竽X是如何編碼有關(guān)氣味的信息的?！边_(dá)塔說，“希望我們的發(fā)現(xiàn)是沿著這條道路邁出的一步?！?/p>

作者：Kevin Jiang | 封面：Marly Gallardo

譯者：指紋 | 審校：杜彧

排版：北方

原文：

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

閱讀原文