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Science挑战传统观点:大脑如何识别这么多不同的气味?

每天,每一时刻,我们都被各种气味所包围着。气味可以带来记忆,或警告我们食物变质了。但是我们的大脑如何能识别这么多不同的气味? 我们又是如何轻松地解开混合气味的成分?

4月10日发表在Science杂志上的一篇文章中,哥伦比亚大学的科学家朝着回答这些问题迈出了重要的一步,而秘密就在鼻子内部。

文章作者,哥伦比亚大学生物科学教授Stuart Firestein说,“从垃圾到古龙香水,我们每天遇到的气味包含成百上千种个体气味分子。一杯早晨咖啡可以包含800多种不同类型的气味分子。尽管人们已经做了很多工作来了解鼻子和大脑如何共同识别各种气味的,但是科学家们长期以来还在努力解释这种系统在多种气味混合在一起时,发生的工作原理。”

在新这项研究中,研究团队采用了称为SCAPE显微镜的3D成像方法,监视了小鼠鼻子中成千上万个不同细胞对不同气味以及这些气味的混合物的反应。他们发现,鼻子向大脑发送的有关混合气味的信息不仅仅是其各个部分的总和。

鼻子中检测气味的细胞分别具有多种不同的传感器或感受器。例如,人类具有多达400种不同类型的这些受体。对于纯净的单一气味,只有其受体对该气味敏感的细胞才会活跃,向大脑发送一个可以识别为该气味的代码。但是对于更复杂的气味混合物,这个代码将变得越来越复杂。

研究人员原本以为由异味混合物激活的细胞相当于将对单个异味的反应加在一起。但结果他们发现,在某些情况下,气味实际上可以关闭细胞对混合物中另一种气味的反应。在其他情况下,一种气味可能会放大细胞对第二种气味的反应。

尽管我们经常感觉到一种气味占主导,以前认为这种处理发生在大脑中。但新这些结果表明,鼻子内部的这些相互作用会影响发送到大脑的信号。

研究小组的数据挑战了传统观点,传统观点认为大脑通过弄清所有单个成分来理解混合气味。而新研究证实了调香师们早已知道的机理:将不同的香气结合在一起可以创造不一样的气味,从本质上说,它成为一种可以提供完全不同的体验的全新香气。

文章一作,徐露(Lu Xu,音译)博士说:“我们很高兴发现代码中的这些变化发生在鼻子中,还没有到达大脑之前。这些影响可以帮助我们检测和识别比简单的附加法规所能传达的范围更大的气味和混合物。”

为了揭示嗅觉系统的内部工作原理,研究人员采用了SCAPE显微镜,这种显微镜可实时创建活组织高速3D图像。它来回扫描成角度的光线,创建活动中的活细胞和组织的高速3D影像。

研究人员检查了动物鼻子内的神经元细胞,这些细胞被荧光标记,当这些细胞被激活时在显微镜下会闪烁。然后,他们将动物的鼻组织暴露于一系列不同的气味组合中。

“ SCAPE使我们能够在长时间内同时分析成千上万个单个细胞中任何一个的活性,” 文章另外一位作者李文文(Wenwen Li,音译)博士说,“使用常规显微镜,我们只能在短时间内对薄层中的数百个细胞进行成像。SCAPE可以对完整的3D鼻腔结构中的更多细胞进行成像,而不会损坏组织。这使我们能够追踪每个细胞的反应。”

为了处理收集到的大量数据(每个组织样本超过300 GB),该团队构建强大数据处理服务器,并采用了哥伦比亚统计局和西蒙斯基金会开发的算法。

近二十年来,气味专家已经知道某些气味会掩盖甚至增强其他气味。通过今天的研究,研究人员发现了这种现象的潜在机制。

这一结果表明,气味分子既可以激活受体也可以使受体失活,不是通过使受体过强,而是通过改变细胞对它们的反应方式来掩盖其他气味。这些发现实际上可能非常有用,例如,制造出更好的空气清新剂,阻止任何有害的气味。

此外,研究人员还指出,能够改变受体对一种物质的反应方式对于药物开发非常重要。在鼻子上的研究实际上为调节可能与疾病有关的其他细胞类型的反应的可能方法提供了新的启示。

 

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