几个星期前,我参加了一个座谈会,突然意识到我忘记关烤箱了。我非常羞愧地告诉Zoom的与会者,我必须保存我的烤宽面条,因为它可能会被烤焦,变成带烟的脆片。其中一个笑着回答说:“嗯,我敢肯定它闻起来很香——是时候我们也能闻到它了,不是吗?”

虽然我们还不能将新鲜烹制的芝士千层面的气味作为数据通过互联网发送出去,一项新的研究科学老鼠实验表明,这并不是一个完全不可能的想法。如果我们能理解大脑是如何将不同的气味作为电子信息处理的,那么我们就有可能逆向设计出烤宽面条冒泡的味道,并将其直接传递到大脑。更令人兴奋的是,它可能让你闻到自然界中不存在、也不存在的东西——可以说,这就是《盗梦空间》。

但在现实中,目前只有老鼠才有可能做到。

主要的障碍是我们仍然不确定个体的气味是如何激活从鼻子到大脑的整个神经通道的。科学家们知道,当我们把气味嗅进鼻孔时,它们被“翻译”成电活动,然后经过位于嗅球内的大量被称为肾小球的中间体处理,然后它们被传递到大脑的高级“嗅觉”区域,因此我们有意识地感知它们。但到目前为止,这一过程背后的确切规则仍是个谜。

本月,纽约大学(New York University)的德米特里·林伯格博士(Dr. Dmitry Rinberg)与意大利罗维里托(Rovereto)的一个团队合作进行了一项研究,试图破译这种嗅觉密码。在拥有光激活神经元的转基因小鼠中,研究小组使用定向光束在空间和时间上激活它们的肾小球,就像敲钢琴键谱曲一样。

通过这种方法,他们能够把一种完全人造的气味植入老鼠体内。更重要的是,操纵肾小球的“钢琴键”——也就是它们精确的活动模式——揭示出的序列对我们嗅觉世界的能力至关重要,进而驱动我们的行为。

“我们的研究结果首次确定了大脑如何将感官信息转换为对某种事物的感知(在这种情况下是一种气味)的编码,”Rinberg。“这让我们离回答这个长期存在的问题更近了一步,这个问题就是大脑是如何提取感官信息来激发行为的。”

气味的高速公路

与视觉相似,气味刺激我们的大脑也是基于一种代码。当你闻新鲜咖啡或精致葡萄酒的味道时,个别的气味分子会吸附在你鼻子里的感受器上。

这些感受器非常挑剔:它们只有在合适的情况下才会将化学物质转化为电信号。通过这种方式,个体的气味——无论在一团气味中多么复杂——都被分解成高速公路,到达肾小球,即大脑嗅觉区域起始处的神经处理器的小灯泡。在这里,气味被进一步转化成更复杂的气味,并被发送到更高级的区域,使我们能够区分,比如,啤酒和烈性黑啤酒。

作者写道,理解或复制气味的一个关键挑战是,弄清楚从鼻子到大脑诱导有意识知觉的神经数据的关键部分。如果每一种气味都是一首歌,在空间和时间上区别于其他气味,那么我们的肾小球就是构成每一段旋律的音符。

问题是,在神经数据指令链中,并非所有的肾小球都是一样的。就像钢琴旋律一样,一个错误的音符可能不会毁掉整首歌——或者在肾小球的例子中,对气味的感知能力。然而,解析哪些在时间和空间上更重要仍然是一个大脑连接的谜。

Light-Incepted气味

为了解开嗅觉的网,作者们采用了光遗传学技术,这种技术可以让你用光激活神经元。

在有光敏感神经元的小鼠中,研究小组以特定的模式激活了多个肾小球,从而产生一种对特定气味的幻觉——即使这种气味并不存在,在自然界中也不存在。

当然,要问老鼠是否真的闻到了什么味道是很难的,所以研究小组采取了迂回的方法。研究小组解释说,他们训练老鼠,让它们只有在“闻到”一种人造气味时才会舔水嘴。这种气味是由一种光模式产生的,“与自然界中已知的特定化学气味不太相符”。

“我跟你说实话,我不知道这是臭还是好玩”对于老鼠来说,Rinberg

然而,这种光模式以及随后肾小球的激活足以让老鼠闻到一种独特的气味,从而使它们能够区分这种气味和其他合成气味。当科学家操纵木偶的人慢慢降低光线强度时,老鼠似乎也失去了舔水嘴的兴趣,这表明它们不再“闻到”人造气味。

接下来,研究小组对光探针进行了试验,使它们以稍微不同的时间和空间模式击中每个肾小球——想想迪斯科球上的闪光灯,但更有系统和可控。

林伯格说,我们尝试了“数百种不同的组合”,以梳理出什么对我们的大脑嗅觉真正重要。

为了更好地理解这些数据,研究小组将所有数据整合到我们嗅觉的数学模型中。该研究小组解释说,这个模型“允许我们进行模板匹配”,也就是将新的活动序列与学习到的“气味”序列或模板进行比较。

这些实验导致了两个主要发现。首先,修补肾小球中的早期受体往往会更强烈地破坏气味感知。Rinberg解释说,这在自然界被称为首因效应——也就是说,动物需要在最初的瞬时判断的基础上,立即形成对朋友和敌人的判断。

其次,根据计算模型,在时间和空间上干扰肾小球的激活似乎会线性地破坏嗅觉。也就是说,你越是改变激活水平,它就越会妨碍感知,但这主要是基于细胞的邻居,而不是一个嗅的动作。

这对嗅觉视觉爱好者来说是个好消息。“这种线性有点令人惊讶,因为在神经科学领域,我们已经习惯了很多非线性效应。”耶鲁大学的贾斯特斯·费尔哈根博士没有参与这项研究。虽然线性并不意味着嗅觉代码很容易解决,但它确实为神经科学家提供了一个进一步研究的框架,而且可能更容易理解。

破解知觉

总的来说,研究表明哺乳动物的大脑有一种非常严格的处理气味的方式。即使某种气味引发了从鼻子到肾小球甚至是大脑的复杂活动模式,似乎最早的输入——也就是最初几个被激活的肾小球——对嗅觉的感知是至关重要的。

对于一个神经代码来说,这可能是最简单的了。

到目前为止,这项研究还没有触及大脑内部的神经高速公路,这些高速公路会导致对气味的有意识感知——这显然是下一个问题。但研究结果表明,我们可以摆弄低级别的“气味”钢琴键,如果按顺序敲击,就能产生一种人造气味。目前,它只在老鼠身上使用。但随着神经植入物和非侵入性神经刺激设备的普及,我们有一天可以突破感知——这样我们就能看到、闻到、感觉到或听到并不存在的东西,或许还能拯救这些感官,使其免于受伤或老化。

图片来源:尼克FewingsUnsplash

范雪来是一位神经科学家出身的科学作家。她在不列颠哥伦比亚大学(University of British Columbia)完成了神经科学博士学位,在那里她开发了神经退化的新疗法。在研究生物大脑时,她开始对人工智能和所有生物技术着迷。毕业后,她搬到了加州大学旧金山分校,研究以血液为基础的因素,使衰老的大脑恢复活力。她是……

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