科學家首次揭開嗅覺產生之謎，驚訝於大腦也會「編碼」

要香菜或不要香菜，這是大夥吃飯時都會碰到的一個問題。喜歡吃香菜的人，愛它的味道和口感；討厭香菜的人不管三七二十一，避而遠之。這兩種人似乎永遠不能和解，這其中也存在一個嚴肅棘手的科學問題：大腦如何將氣味化學反應轉化為嗅覺感知的。

我們所有人對氣味都有一個共同的參考，你和我都認為檸檬和酸橙聞起來很相似，也同意它們聞起來和比薩餅不同，但直到現在，我們還不知道大腦是如何組織這種信息的，這一現象在許多方面對科學家來說仍然是不透明的。

大腦處理氣味方式的最新進展

哈佛醫學院神經生物學家的一項研究為氣味之謎提供了新的見解。在7月1日的《自然》雜誌上，研究人員首次描述了不同氣味之間的關係是如何在負責處理氣味的大腦皮層中編碼的。

研究小組通過精心挑選的分子結構傳遞氣味，並分析清醒老鼠的神經活動，發現大腦皮層嗅覺的神經元表徵反映出氣味之間的化學相似性，從而使大腦能夠將氣味分類。此外，這些表徵可以通過感官體驗重新組合。

研究結果表明，一種神經生物學機制可以解釋為什麼個體對氣味有共同但高度個性化的體驗。這些結果為更好地理解大腦如何將氣味化學信息轉化為嗅覺感知開闢了新的研究途徑。HMS布拉瓦特尼克研究所神經生物學副教授Datta說：「這是第一次演示嗅覺皮層是如何編碼與它所負責的東西有關的信息，氣味化學是嗅覺的基本感覺線索。」

重要突破——「計算」氣味

嗅覺使動物能夠識別周圍世界的化學性質。鼻子中的感覺神經元檢測氣味分子並將信號傳遞給嗅球，嗅球是前腦中最初進行氣味處理的結構。嗅球主要將信息傳遞到梨狀皮質，梨狀皮質是嗅覺皮層的主要結構，進行更全面的處理。

與光或聲音不同，刺激很容易通過調節頻率和波長等特性來控制，很難探究大腦是如何建立傳遞氣味的小分子的神經表達的。通常，細微的化學變化——這裡的幾個碳原子或那裡的氧原子——會導致嗅覺上的顯著差異。

Datta和研究的第一作者Stan Pashkovski以及他的同事們通過關注大腦如何識別相關但不同的氣味這一問題來應對這一挑戰。Datta說：「事實上，我們都認為檸檬和酸橙氣味相似，這意味著它們的化學成分一定會在我們的大腦中喚起相似或相關的神經表達。」為了進行研究，研究人員開發了一種定量比較氣味化學物質的方法，類似於如何使用波長差異來定量比較光的顏色。

他們利用機器學習來觀察數千種已知有氣味的化學結構，並分析了每種結構的數千種不同特徵，如原子數、分子量、電化學性質等等。綜合這些數據，研究人員可以系統地計算出任何氣味與另一種氣味的相似或不同程度。

從這個氣味庫中，研究小組設計了三組氣味：一組具有高多樣性；一組具有中等多樣性，氣味被劃分為相關的簇；一組低多樣性，其結構僅隨著碳鏈長度的增加而變化。然後，他們把老鼠暴露在不同氣味組合中，並用多光子顯微鏡成像梨狀皮質和嗅球的神經活動模式。

氣味預測

實驗表明，氣味化學的相似性反映了神經活動的相似性。相關氣味在梨狀皮質和嗅球產生相關的神經元模式，通過神經元活動的重疊來測量。相比之下，弱相關氣味則產生弱相關的活動模式。

在大腦皮層，與嗅球相比，相關的氣味會導致更強烈的神經活動聚集模式。這一觀察結果適用於單個老鼠。氣味關係的皮層表徵非常相關，因此可以根據在另一隻老鼠身上所做的測量，來預測一隻老鼠身上所發出氣味的特徵。

另外的分析還發現了一系列不同的化學特徵，如分子量和某些電化學性質，它們與神經活動的模式有關。從這些特徵中收集到的信息足夠可靠，可以預測一種動物的大腦皮層對一種氣味的反應，這是基於對另一種動物的一組單獨氣味的實驗。

研究人員還發現，這些神經表達是靈活的。反覆給老鼠混合兩種氣味，隨著時間的推移，大腦皮層中這些氣味的相應神經模式變得更加緊密相關。即使這兩種氣味的化學結構不同，也會發生這種情況。

大腦皮層的適應能力在一定程度上是由神經元網絡產生的，這些神經網絡有選擇性地重塑氣味關係。當這些網絡的正常活動被阻斷時，大腦皮層編碼的氣味更像嗅球。

Datta說：「我們展示了兩種氣味，就好像它們來自同一個來源，並觀察到大腦可以自我重組，以反映被動嗅覺體驗。檸檬和酸橙的氣味相似，部分原因可能是同一物種的動物有相似的基因組，因此在嗅覺上也有相似之處。但每個人都有自己的看法大腦皮層的可塑性可能有助於解釋為什麼氣味一方面在個體之間是不變的，但又取決於我們獨特的體驗而定製。」

結語

總之，這項研究的結果首次證明了大腦是如何對氣味之間的關係進行編碼的。與相對了解的視覺和聽覺皮層相比，嗅覺皮層如何將氣味化學信息轉化為嗅覺感知，目前還不清楚。根據作者的說法，識別嗅覺皮層如何映射相似的氣味，為理解和潛在地控制嗅覺提供了新的見解。

Datta說：「我們還不完全了解化學如何轉化為感知。」沒有一種計算機算法或機器可以獲取一種化學結構，並告訴我們這種化學物質的氣味。要真正製造出這種機器，並有一天能夠為一個人創造一個可控的、虛擬的嗅覺世界，我們需要了解大腦是如何編碼氣味信息的。我們希望我們的發現是朝著這條道路前進的一步。」

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