依靠嗅觉就能感知全貌?其实你也有这项技能
发布时间:2022-08-18
出品:科普中国
作者:林风(安阳工学院)
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  当我们闻到花香时,可能会想起春游时漫山遍野的花朵或者与小伙伴们在花丛中嬉戏打闹的场景;当我们漫步在小酒馆的门口时,可能会想起心中的那个ta,沉浸在往事中。

  在这些过程中,除了记忆唤醒外,还存在另一种抽象的概念--知觉。不同于感觉只是大脑对客观事物某一方面属性的反映知觉是大脑在感觉的基础上对客观事物整体属性的反映

   

  花香会让人回想起曾经看到的春色

  (图片来源pexels)

  简单打个比方,当你看到一个认识的人,这是视觉,但是你会联想起这个人的名字、性格、背景、人际关系等等,并对其做出示好或者讨厌的举动,这就是知觉。

  那么,大脑是如何将感觉转化为知觉的呢?

我们对感觉转化为知觉的过程,了解到什么程度了?

  以嗅觉与知觉为例,目前人们已经清楚嗅觉系统能分辨出上千种气味,但是对于嗅觉如何转化为知觉,并最终影响行为,以及嗅觉系统的深层次的联系方式了解还不多。

  之前的研究对此给出了一个大概的图景:首先嗅觉神经元将与气味相关的信息传递给嗅小球;接着,每个嗅小球与20-50个僧帽/丛状细胞(简称MT细胞)一起对气味信息进行加工处理后传递给嗅觉皮层(大脑)。

  也就是说,嗅觉到大脑主要分为两步,一是鼻子到嗅球,二是嗅球到大脑。目前,从鼻子到嗅球的反应模式已经得到了很好的研究,但是从嗅球到大脑中枢的反应机制还未阐明,尤其是在神经元水平方面还不是很清晰

  2020年6月19日纽约大学朗格尼医学中心神经科学研究所的Dmitry Rinberg研究团队在Science杂志发表了最新研究成果,他们首次揭示了在神经元层面嗅球对产生知觉所起的作用。

   

  Science报道了嗅球产生知觉的神经机理

  (图片来源参考文献1)

  研究人员通过光遗传学技术激活MT细胞(点刺激的范围为120平方微米),神经兴奋时间可持续80ms左右。因为是人工产生的,所以这种刺激被称为“合成气味”。

什么是光遗传学

  光遗传学(opeogenetics),也称光控基因技术,是近几年迅速发展的一项整合了光学、软件控制、基因操作技术等多学科的交叉生物工程技术。

  它能精准控制或测定特定活体细胞在时间和空间上的活动,具有独特的高时空分辨率和细胞类型特异性,时间精准度能达到毫秒级别,空间分辨率能达到单细胞级别。

   

  通过训练老鼠来识别合成气味模式:即人为刺激嗅球,并在空间尺度和时间尺度上模拟嗅觉感知

  (图片来源参考文献1)

  在经典的神经生物学实验中,激活一个神经细胞的方法大致有两种:物理方法和化学方法。

  物理方法就是电刺激,比如说将金属电极放在神经细胞旁边,改变细胞外的电场,从而激活细胞化学方法则是指施加神经递质类的小分子,或者可作用于细胞受体的药物。

  传统方法不加区分地刺激所有接入点的细胞,而且不能精准地控制某种神经元放电,但光遗传学则可以利用光来准时刻、准点位地刺激细胞。

   

  光遗传学可实现精准点刺激

  (图片来源环球科学)

  这其中的主要原理是采用基因操作技术将光感基因转入到神经中特定类型的细胞中,进行特殊离子通道或蛋白受体的表达。

  光感离子通道在不同波长的光刺激下会分别对细胞膜两边的膜电位造成影响,进而达到对细胞进行选择性兴奋或者抑制的目的。

   

  光遗传蛋白的作用原理—利用离子通道对离子的选择性来调节细胞的兴奋性

  (图片来源作者组合)

  由于气味模拟信号是人为产生的,因此研究人员可以操纵相关神经信号传递的时间和顺序,并确定哪些变化对小鼠准确识别“合成气味”的能力最重要。

如何将嗅觉转化为知觉

  为了探究嗅觉是如何转化为知觉的研究人员进行了一系列的实验操作并从中发现了规律

  比如在利用小鼠进行的相关实验中当对小鼠在规定的时间进行有序的6个模拟气味刺激后(这种激活模式包含空间和时间特征),小鼠压杆会得到水以作为奖励,这称为目标模式激活(模拟的是某种目标气味)

  当对小鼠随机进行6个模拟气味刺激后,小鼠压杆不会得到水作为奖励,这称为非目标模式激活(其模拟的是另一种不同的气味)。

  研究人员通过目标模式激活来训练小鼠识别特定的信号以及压杆喝到水的行为。在这个实验中识别信号代表的是嗅觉,嗅到特定味道后压杆喝水代表的则是知觉。

   

  小鼠嗅球的人工刺激目标模式与非目标模式

  (图片来源参考文献1) 

  为了方便大家理解我们可以把上面说的目标模式设为p,把点刺激的时间长短看作变量x,将点刺激的空间顺序看作变量y。

  为了进一步区分p中变量x和变量y分别对小鼠嗅觉及行为变化的影响,研究人员通过控制变量法进行实验:首先,保持x不变,改变y,来观察信号传递顺序对小鼠行为的影响;其次,保持y不变,改变x,观察作用时间对小鼠行为的影响。

  通过这一顿猛如虎的操作研究人员发现小鼠的感知反应不仅取决于哪些细胞被激活(空间特征)还取决于此类细胞的激活潜伏期(时间特征)也就是说所有气味受体对给定刺激的相对敏感性不同,敏感性强的受体激活潜伏期相对较短

  此外研究人员还发现被较早激活的细胞对行为反应影响较大而且特定的气味会在大脑中形成记忆信号,这样再次受到相似刺激的时候就会按照目标模式做出相应的反应。

  就像生活中闻到桂花香味会想到桂花糕一样(这也是一种知觉,不仅仅包括香味,还有形状味道等整体属性)。细胞激活的顺序就类似于气味的独特性,如果闻到的不是桂花香,自然不会想到桂花糕

  而细胞的激活潜伏期就类似于气味的浓度或人对气味的敏感性,如果香味不重或者人对桂花香味不敏感,自然也不会产生联想并且在同等浓度、同种香味的条件下,对气味敏感的人,香味对他的影响也会越大。

  总的来说,此项工作将光遗传学技术产生的人工气味作用到小鼠身上,确定了嗅球识别出特定气味所需受体的最少数量和种类,这有助于人们理解大脑如何利用嗅觉信息(感觉)产生知觉(调控行为)。

  通过一系列的实验研究人们终于弄懂了感觉是如何转化为知觉的你说这重要吗这当然重要

  如果说感觉是对具体的把握那么知觉就是对整体的掌控打通感觉到知觉的路径既可以是科学的也可以是哲学的你看下次聊天你不就可以从科学角度来解释解释什么是“见山是山见山不是山”了

  编辑王婷婷

  参考文献:

  1. Chong et al. (2020). Manipulating synthetic optogenetic odors reveals the coding logic of olfactory perception. Science. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aba2357

  2. https://www.technologynetworks.com/neuroscience/news/synthetic-smells-help-reveal-how-the-brain-perceives-odor-336334

  3. https://nyulangone.org/news/scientists-decode-how-brain-senses-smell

科普中国官方网站: https://www.kepuchina.cn/
关闭