用嗅覺分辨方向，其實人類的鼻子也很靈啊！

2020-08-26 中國科普博覽

出品：科普中國

作者：毋愚力 葉玉婷 周雯 （中國科學院心理研究所）

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

《指環王》中，遠徵隊在漆黑的莫利亞礦坑險些迷失方向，關鍵時刻，灰袍甘道夫說了一句：「If in doubt, always follow your nose」，並依靠他靈敏的嗅覺帶領遠徵隊找到方向。

△氣味引導甘道夫找到前行的方向 圖源：《指環王》

生活中，人們似乎並不那麼在意嗅覺。一般認為，大腦主要是藉助雙眼和雙耳信息輸入間的微小差異，來構建我們的立體知覺，並為我們指引方向的，用嗅覺導航更好像是電影中才能出現的情節。有趣的是，最新的一項研究顯示，嗅覺也能為我們導航。

人是如何聞到各種氣味的？

就像我們有左眼、右眼、左耳、右耳，我們的鼻子也分左右鼻腔，兩側鼻腔由鼻中隔分離開來。而這樣的構造自然也有它的道理。

鼻腔的開口向下，便於我們嗅探環境中物體散發的味道和地面留下的痕跡。兩側鼻腔讓我們在其中一側出現鼻塞時，還能有另一側備用。研究者很早就發現了「鼻周期」（nasal cycle）現象的存在，也就是鼻兩側存在「輪班制」——有時左側鼻腔較右側腫脹，使得左側氣流量小於右側，有時反之，大約幾十分鐘到幾小時鼻兩側會輪換一班[1]。除了「分流量」外，鼻兩側還會搶佔大腦對氣味輸入的加工資源：如果向兩側鼻孔同時呈現兩種迥異的氣味，人們的感知會在兩種氣味間切換，這被稱為鼻間競爭，提示鼻兩側信息加工間存在抑制性聯接[2]。

在我們吸氣時，鼻兩側吸入的空氣來自並不重合的空間位置，彼此間距在3.5 cm左右[3]，在一些情形下，這個距離足以讓兩側的氣味有幾倍的濃度差。

△受試者吸氣時，氣流進入兩側鼻腔速度的等高線圖 圖源：參考文獻[3]

那麼，我們是如何使用鼻子嗅出周圍的各種氣味的呢？

我們吸氣的時候，進入鼻腔兩側的氣味分子一部分會被吸入肺中，另一部分則會吸附於位於鼻腔內側上沿的嗅黏膜之中。在那裡，氣味分子與嗅覺感覺神經元樹突末梢的氣味受體蛋白結合，激活相應的嗅覺感覺神經元，從而完成從化學信號至神經電信號的換能。匯聚了嗅覺感覺神經元軸突的嗅神經（人的十二對腦神經中的第一對）將這一側的氣味信息傳遞到腦內同側的嗅球，嗅球接著通過僧帽細胞和簇狀細胞這兩種輸出神經元，將大部份信息投射至同側的下遊初級嗅覺腦區，這其中包括位於嗅球後方的前嗅核、與氣味辨別密切相關的梨狀皮質以及負責空間定位的內嗅皮質等等，其餘少部分信息會經由前嗅核投射到對側。也就是說，在嗅球之前，鼻兩側的信息是完全獨立的，前嗅核及其下遊腦區則有機會整合來自鼻腔兩側的嗅覺信息。

△ 人類嗅覺神經系統及其信息傳遞通路，圖源：參考文獻[4]

嗅球是腦內專職處理嗅覺信息的結構，只佔人大腦體積的約0.01%，而小鼠的嗅球則佔其大腦體積的2%[5]，這一度被視作人的嗅覺遠遜色於小鼠等其他動物的解剖依據。然而就實際大小而言，人的嗅球體積是小鼠嗅球的至少6倍，在嗅球下遊的其他結構更是遠比小鼠和其他動物的發達，這些結構與腦內的情緒記憶環路高度重疊，構建了我們幽微、雋永、而又往往難以言表的嗅覺體驗。近年的實驗證據顯示，嗅覺的「緘默」絕不等同於貧乏，人的嗅覺其實相當敏銳，可以分辨出數以萬億計的氣味[6]。

人類也擁有的立體嗅覺

從計算的角度看，生物體通過比對兩側鼻腔的嗅覺輸入，是有可能產生「立體嗅覺」，並藉助嗅覺來獲取氣味來源位置的有效信息的。一些齧齒動物已被證實具有「立體嗅覺」，且這一能力與前嗅核有關[7]。

人類是否也具備類似能力呢？此前就有科學家對此進行了實驗，但結果並不樂觀，對人類受試者的測試反覆顯示，如果一個氣味不刺激三叉神經（即不引起涼、熱、刺痛等三叉神經感覺），將它呈現在一側鼻腔時，蒙上眼睛的受試者並不能報告氣味呈現在哪一側。那麼，到底是演化歷程中人類喪失了「立體嗅覺」，還是「立體嗅覺」發生在言語意識的層面之下？

為了回答這一問題，中國科學院心理研究所周雯研究組和張弢研究組合作，採用視覺光流刺激和苯乙醇（玫瑰氣味）、香蘭素（香草氣味）兩種不激活三叉神經的嗅質進行實驗，共216名受試者先後參與了實驗。視覺光流模擬了觀察者以5m/s的速度朝一群光點團的運動，受試者需要依據光流模式判斷自己是在朝向注視點左側還是右側行進。與此同時，他的鼻腔兩側分別暴露在不同濃度的玫瑰或是香草氣味中。實驗材料抽象了人在前進過程中聞到一旁飄來的陣陣香味的情形，受試者只需判斷行進方向，並不需要對嗅覺體驗進行報告。研究者推測，如果鼻間濃度差能夠提供方位線索，受試者對自身行進方向的判斷就可能受到鼻兩側氣味濃度關係的影響。

△視覺光流刺激示意動畫 圖源：參考文獻[8]

實驗結果驗證了研究者的推測。數據顯示，適度的鼻間氣味濃度差可有效偏移個體對自身運動方向的知覺，使其認為自己在向氣味濃度更高的那側行進[8]。這一效應依賴於鼻間氣味濃度的比值，而非鼻兩側氣味濃度的數值差異。根據心理物理學中的韋伯-費希納定律，感覺量與物理量的對數值成正比，這就意味著嗅覺系統可以依據兩側嗅球感知到的氣味強度的差值來計算方位。與以往研究一致，受試者對哪側鼻腔的氣味更濃的口頭報告正確率處於隨機水平。也就是說，嗅覺方位的計算發生在主觀意識層面之下，雖然我們無法說出哪一側鼻腔聞到的氣味更濃，但「立體嗅覺」可以在意識水平之下為我們指引方向。

△大腦的空間方位計算加權了鼻間氣味的強度差 圖源：人類嗅覺實驗室

證實人類也有立體嗅覺，對個體、對科技發展都有一定的現實意義。一方面，當我們在一片黑暗中摸索前行時，環境中的氣味線索可能會幫助我們更加快速準確地找到方向。另一方面，從信息的多模態整合的角度來看，增加模態間的一致信息可以讓人對信號做出更快的反應，對信息的加工也更為深入。想像一下未來有一天，如果你也能進入像電影《頭號玩家》中的虛擬實境遊戲裡，或許只是通過聞到來自一側汽油的味道，就可能提前發現危險，從中脫身。

△立體嗅覺增加人們在虛擬實境中的沉浸感 圖源：人類嗅覺實驗室

目前有些影院已經開始提供簡單的氣味播放裝置，觀影者可以隨著氣味的指引漸入佳境。立體嗅知覺現象的發現和機制探索能夠為虛擬實境設備的升級完善提供理論基礎，相信未來，我們在使用增加了立體嗅覺模塊的虛擬實境裝備時，會獲得更加身臨其境的體驗。

參考文獻：

1. R. Kayser, Die exacte messung der luftdurchgangigkeit der nase. Arch Laryngol Rhinol 3, 101–120 [1895].

2. W. Zhou, D. Chen, Binaral rivalry between the nostrils and in the cortex. Curr Biol 19, 1561-1565 [2009].

3. J. Porter et al., Mechanisms of scent-tracking in humans. Nat Neurosci 10, 27-29 [2007].

4. C. Zelano, & N. Sobel, Humans as an animal model for systems-level organization of olfaction. Neuron, 48, 431-454 [2005].

5. J. P. McGann, Poor human olfaction is a 19th-century myth. Science 356 [2017].

6. C. Bushdid, M. O. Magnasco, L. B. Vosshall, A. Keller, Humans can discriminate more than 1 trillion olfactory stimuli. Science 343, 1370-1372 [2014].

7. J. Esquivelzeta Rabell, K. Mutlu, J. Noutel, P. Martin Del Olmo, S. Haesler, Spontaneous rapid odor source localization behavior requires interhemispheric communication. Curr Biol 27, 1542-1548 e1544 [2017].

8. Y. Wu, K. Chen, Y. Ye, T. Zhang, W. Zhou, Humans navigate with stereo olfaction. Proc Natl Acad Sci U S A 117, 16065-16071 [2020].


相關焦點

  • 用嗅覺分辨方向,其實人類的鼻子也很靈啊!
    ：「If in doubt, always follow your nose」，並依靠他靈敏的嗅覺帶領遠徵隊找到方向。△氣味引導甘道夫找到前行的方向 圖源：《指環王》生活中，人們似乎並不那麼在意嗅覺。一般認為，大腦主要是藉助雙眼和雙耳信息輸入間的微小差異，來構建我們的立體知覺，並為我們指引方向的，用嗅覺導航更好像是電影中才能出現的情節。有趣的是，最新的一項研究顯示，嗅覺也能為我們導航。
  • 用嗅覺也能分辨方向，被低估的人類嗅覺
    《指環王》中，遠徵隊在漆黑的莫利亞礦坑險些迷失方向，關鍵時刻，灰袍甘道夫說了一句：「If in doubt, always follow your nose」，並依靠他靈敏的嗅覺帶領遠徵隊找到方向。一般認為，大腦主要是藉助雙眼和雙耳信息輸入間的微小差異，來構建我們的立體知覺，並為我們指引方向的，用嗅覺導航更好像是電影中才能出現的情節。有趣的是，最新的一項研究顯示，嗅覺也能為我們導航。人是如何聞到各種氣味的？就像我們有左眼、右眼、左耳、右耳，我們的鼻子也分左右鼻腔，兩側鼻腔由鼻中隔分離開來。
  • 人人都有「狗鼻子」,科學家發現人類嗅覺和狗的嗅覺一樣好
    長久以來，我們說一個人嗅覺靈敏，總是會說「你這個狗鼻子」，因為我們認為狗的嗅覺是超級靈敏的。不過現在有研究發現，事實上人的嗅覺並不比狗差。人的嗅覺不比狗的嗅覺的差美國羅格斯大學的神經學家John McGann表示，通過比對研究，他發現其實人的嗅覺和狗一樣靈敏，和老鼠等其他哺乳動物比起來也是毫不遜色，之前人類的嗅覺一直都被低估了。
  • 嗅覺即思考,狗狗的心思也難猜
    和人類一樣，狗狗也是，具備思考能力的存在。和人類不同的是，狗狗大多是，用嗅覺來感知和思考它周圍發生的事物。因此，如果你的狗狗用鼻子聞你，請你不要急於拒絕。狗狗的鼻子是，他身體部分中最重要的器官之一，他的嗅覺佔據了他感官能力中，最重要的一部分，狗狗的嗅覺細胞總數是人類的40到100倍，因此它整體的嗅覺靈敏度，甚至是人類的100到100萬倍，這是一個驚人的數字。更有甚者，一隻訓練過的狗狗，可以分辨出10萬種以上的氣味，這是人類怎樣努力都達不到的效果。這也不怪狗狗，有靠鼻子生活的動物這種，稱號，不過，究竟狗狗的嗅覺有多厲害呢？
  • 為啥大部分動物的鼻子溼溼的,皮膚構造還不一樣,而人類卻不是?
    這也很好分辨，一模一看就能知道鼻子是幹還是溼！顯而易見，人類的鼻子是幹的，如果整天流鼻涕那就是生病了。幹鼻子還包括我們的表兄弟：黑猩猩、倭黑猩猩、兩種大猩猩、兩種猩猩；還有我們熟知的眼鏡猴，它也是後來從幹鼻靈長類分化出來的，雖然長相奇特，但和我們的關係還是比較親近的。而溼鼻靈長類就是我們所說的狐猴科，它們和類人猿祖先分化的比較早，所以和我們人類並不是很親近。例如：現存的狐猴。
  • 蜜蜂沒有鼻子,為什麼嗅覺那麼靈敏?養蜂人告訴你原因
    導讀：對蜜蜂有所了解的朋友都知道，在蜜蜂的所有器官中，我們根本找不到蜜蜂的鼻子在哪裡，但是我們都知道，蜜蜂嗅覺非常靈敏，不但可以辨別各種氣味，還能以附近的花香味來判斷蜜源所在位置，可以說這種嗅覺靈敏程度不亞於我們人類的鼻子。
  • 為什麼鼻子可以聞到氣味?
    鼻子有兩大功能，一是用來呼吸，二是嗅覺器官。在日常生活中，嗅覺的作用是不可缺少的，比如可能在我們的眼睛和耳朵還沒有發現問題之前，鼻子就能先聞到焦糊味，從而引起人對火災的警覺。有些東西我們拿起來，用鼻子一聞就知道了。而我們的鼻子能聞到各種各樣的味道並進行分辨，這是為什麼呢？
  • 生活小實驗:舌頭只能嘗出五種味道,剩下的都要靠鼻子?
    舌頭只能嘗出五種味道，剩下的都要靠鼻子人有五種基本味覺，分別是酸、甜、苦、鹹、鮮（大家可能不太理解「鮮味」，其實味精就是通過刺激人的鮮味味覺來發揮其功效的）。這五種基本元素。被口腔中稱為「味蕾」的味覺細胞群所感知，進而刺激大腦，產生了所謂的「味覺」。那麼，嗅覺又是怎麼產生的呢？
  • 鼻子整形風險大 有人因整容失去嗅覺
    鼻子整形是如今不少人會選擇的整形手術之一，因為大部分亞洲人的鼻子都不夠高挺小巧，通過鼻子整形我們能夠輕易擁有精緻立體的鼻子。但是有人卻因為鼻子整形而失去了嗅覺。如今科技是越來越發達了，人們可以根據自己的需要隨意改變自己的五官。
  • 它的嗅覺和聽力都有什麼作用
    在狗狗的世界裡，它不僅僅是只能看見黑白色，狗的視力也是不錯的，只是在一些情況下，它會更加的去依賴鼻子。但是如果是鼻子沒辦法完成的事情，它就會利用眼睛了。狗狗的眼睛有一層脈絡膜層，可以使狗狗在受到強光的時候，眼睛就會呈現出黃、綠、紅的亮光。狗狗的眼睛能分辨出來的顏色種類是非常有限的，但這並不意味著它們是色盲。
  • 什麼動物的嗅覺最靈敏?人類能用它做什麼?
    通過一定方式的調教與訓練，豬能用鼻子嗅出埋在土裡的地雷，還可作為海關偵緝動物，甚至可作為「豬犬」擔任警衛。據說，有一位農民為了防止牛在池塘邊飲水時被蛇咬傷，養了兩頭豬代替人看守池塘，取得了很好的效果。美國有人在農田中放養豬，田裡的毒蛇便明顯減少了。由此可見，豬能防蛇。
  • 貓的嗅覺為何特別靈敏?
    「狗鼻子狗鼻子」人們常常這麼形容嗅覺很靈敏的人，殊不知，貓的嗅覺比狗還要靈敏，這和貓的鼻腔構造有很大關係。
  • 大象會用鼻子「數數」
    美國一項最新研究發現，大象嗅覺靈敏，能用鼻子「數數」。紐約市立大學亨特學院研究人員在泰國北部找來6頭亞洲象做嗅覺測試。這些象年齡12至45歲。研究人員在兩個不透明桶裡放不同數量的葵花子，讓大象嗅聞。桶蓋上有孔，便於葵花子氣味散發。兩個桶裡葵花子重量從4至24克不等。
  • 為什麼昆蟲沒有鼻子卻嗅覺靈敏?
    大家都知道昆蟲是沒有鼻子的，很多人好奇的是，既然昆蟲沒有鼻子，那麼為什麼他們的嗅覺還很靈敏呢？這主要是因為它們的觸角有和鼻子一樣的功能。螞蟻的視力並不好，但是它們的觸角可以擔任起眼睛的角色。螞蟻也不會叫，它們和同伴是怎麼溝通的呢？
  • 科學家表明,嗅覺靈敏的人方向感也更強
    北青網訊 你真的可以跟著你的鼻子走：具有良好嗅覺的人更善於導航，因為判別方向和嗅覺使用的是大腦的相同部分。來自加拿大麥吉爾大學的Veronique Bohbot帶領一支科學家團隊確定兩種截然不同的特徵之間是否存在聯繫。
  • 氣味科普:為什麼鼻子可以聞到氣味?
    而我們的鼻子能聞到各種各樣的味道並進行分辨，這是為什麼呢？鼻子要聞到氣味，首先要有氣味來源，通常是空氣中的揮發性化學分子，當化學分子被吸入鼻腔，便與嗅覺受體結合。嗅覺受體是由「G蛋白耦合受體」蛋白質家族所組成，分布在嗅覺細胞表面，嗅覺細胞位於鼻腔上端的嗅上皮層，由鼻孔往上算約七公分的位置，面積約一平方公分，像一片指甲大小。
  • 鼻子整形安全嗎 鼻子美了嗅覺沒了這種代價太可怕了
    為了能夠讓自己的鼻子達到審美標準，很多人都會去美容院做鼻子整形。愛美的心情是可以理解的，但是如果盲目的對鼻子動手術，整形失敗的可能性也是非常大的。鼻子上分布了很多神經組織，不但能夠起到調節鼻腔溼度的作用，最關鍵的是有一些神經組織是控制嗅覺的關鍵所在。
  • 你知道咖啡用鼻子「喝」會更香嗎?
    但是你知道嗎，用鼻子「喝」咖啡，可以「品嘗」到咖啡更多的味道。當然，不是說直接用鼻子去喝咖啡液，而是用鼻子聞。一般咖啡師品鑑咖啡的時候，往往會先聞一聞咖啡的香氣，再將咖啡液送入口中，這樣可以充分的感受咖啡的風味。我們的舌頭上雖然有無數個味蕾，但是味蕾只能感受到「酸、甜、苦、鹹、鮮」這五種味道。
  • 科學家首次證實蜻蜓也有嗅覺
    原標題：科學家首次證實蜻蜓也有嗅覺 　　科學家曾經認為長葉異痣蟌（Ischnura elegans）不具備嗅覺，現在在其觸鬚內發現了有助於追蹤獵物的嗅球。儘管它們缺乏具備正常嗅覺所需的腦結構，但一項新研究發現，蜻蜓可能利用氣味捕食。 　　人類鼻子裡有很多嗅覺感受器，每一個嗅覺感受器能精準地辨別某個特殊的氣味分子。當某種氣味飄蕩至人類鼻子裡，這些嗅覺感受器會將神經信號傳送至被稱為嗅小球的感覺中轉站。科學家一直認為，大多數陸地哺乳動物和昆蟲都具備的嗅小球是辨彆氣味的唯一器官。
  • 聞臭師:一個很有味道的職業 用鼻子給汙染「定罪」
    專業機器只能測定單一臭氣的濃度，氣體的成分比較複雜，人的鼻子是惡臭程度最直接的感官表徵。「聞臭師」顧名思義，就是用鼻子來為惡臭「定罪」，其結果也是執法部門處罰的依據之一。需要「聞臭師」出馬的主要有環境廠界空氣、汙染源排氣筒兩種。