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新研究揭示了大脑如何组织有关气味的信息

1960年,电影《神秘气味》的首映式标志着电影史上的一个奇异事件:第一部也是最后一部电影首次亮相是“光荣的Smell-O-Vision”。为了给观众带来动感十足的嗅觉体验以及熟悉的视觉和听觉效果,精选影院配备了Rube Goldberg风格的设备,可将不同的气味直接输送到座位上。

观众和评论家很快得出结论,这种体验很糟糕。由于存在技术问题,Smell-O-Vision陷入了困境,并成为在娱乐历史上占有独特地位的堵嘴。但是,Smell-O-Vision的失败并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,尤其是近年来。

此类努力引起了新闻头条,但收效甚微,部分原因是人们对大脑如何将气味化学物质转化为嗅觉的认识有限,这种现象在许多方面对科学家来说仍然是不透明的。

哈佛医学院神经生物学家的一项研究现在提供了有关气味之谜的新见解。在报告自然在7月1日,研究人员描述了首次如何不同的气味之间的关系在嗅皮质,大脑负责处理嗅觉的区域进行编码。

通过提供具有精心选择的分子结构的气味并分析清醒小鼠的神经活动,研究小组表明皮层中气味的神经元表示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。而且,这些表示可以通过感官经验重新连接。

这些发现提示了一种神经生物学机制,可以解释为什么人们有共同但高度个性化的嗅觉体验。

“我们每个人都有共同的嗅觉参考框架。您和我都认为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,我们还不知道大脑如何组织此类信息, HMS布拉瓦特尼克研究所神经生物学副教授,资深研究作者Sandeep Robert Datta说。

这些结果为更好地了解大脑如何将有关气味化学的信息转化为气味的感知开辟了新的研究途径。

达塔说:“这是嗅觉皮层如何编码有关其所负责的事物的信息的第一个证明,这是气味化学,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性质。鼻子中的感觉神经元检测到气味分子并将信号传递到嗅球,嗅球是发生最初气味处理的前脑结构。嗅球主要将信息传递到梨状皮层(嗅觉皮层的主要结构),以进行更全面的处理。

与光或声音不同,刺激容易通过调整频率和波长等特性来控制,因此很难探究大脑如何构建传递气味的小分子的神经表示。通常,细微的化学变化-这里的碳原子或那里的氧原子-会导致嗅觉上的显着差异。

达塔(Datta)与研究的第一作者斯坦福·帕什科夫斯基(Stan Pashkovski),HMS的神经生物学研究员及其同事通过着眼于大脑如何识别相关但独特的气味这一问题来应对这一挑战。

达塔说:“我们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成分必须以某种方式唤起我们大脑中相似或相关的神经表示。”

为了进行调查,研究人员开发了一种定量比较气味化学物质的方法,类似于如何使用波长差异来定量比较光的颜色。

他们使用机器学习技术研究了成千上万种已知具有气味的化学结构,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的相似或不同之处。

该小组从该库中设计了三组气味:一组具有高度的异味;另一组具有较高的气味。一种具有中等多样性,气味分为相关簇;低多样性之一,其结构仅因碳链长度的增加而变化。

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