研究人员揭示了我们嗅觉的另一层细微差别

茉莉花的清香令人愉悦。这种甜美的香味在茶、香水和百花香中很受欢迎。但闻一闻浓缩精油，令人愉悦的香气几乎变得令人厌烦。事实上，花的部分气味来自复合粪臭素，这是粪便气味的主要成分。

我们的嗅觉显然是一个复杂的过程;它涉及数百种不同的气味受体协同工作。气味对特定神经元的刺激越多，神经元发送到大脑的电信号就越多。但加州大学圣巴巴拉分校的研究人员发现，当气味超过某个阈值时，这些神经元实际上会变得沉默。值得注意的是，这是大脑如何识别每种气味不可或缺的一部分。“这是一个特征;它不是一个错误，”分子、细胞和发育生物学系副教授马蒂厄路易斯说。

这项发表在《科学进展》杂志上的矛盾发现动摇了我们对嗅觉的理解。“相同的气味可以由不同浓度的活跃嗅觉感觉神经元的不同模式来表示，”路易斯说。“这或许可以解释为什么有些气味在低浓度、中浓度和极高浓度下与我们的感觉截然不同。例如，从远处看成熟香蕉的气味(甜美和果味)与近距离闻(强烈和人造) ”

人类的鼻子中有数百万个感觉神经元，每个神经元都有一种气味受体。我们总共有大约 400 种具有重叠敏感性的不同类型的受体。每种化合物就像受体正在试穿的不同鞋子。有些鞋子很合脚，有些很合脚，有些则根本不合脚。更好的匹配会产生更强的受体反应。增加气味的浓度会募集具有对该物质不太敏感的受体的神经元。我们的大脑使用激活的神经元的组合来区分气味。

科学家们认为，神经元会在一定的气味浓度以上有效地发挥最大作用，此时它们的活动会趋于平稳。但路易斯的研究生大卫·塔德雷斯 (David Tadres) 领导的团队发现了完全相反的情况：神经元实际上在一定水平以上会变得沉默，最敏感的神经元会首先下降。

一个简单的模型

果蝇幼虫是研究嗅觉的理想模型。它们拥有的气味受体类型与感觉神经元的数量一样多——即 21 个。这种一对一的对应关系使得测试每个神经元在做什么变得简单。

在这项研究中，塔德雷斯检查了带有完全消除嗅觉突变的幼虫。然后，他有选择地在单个感觉神经元中重新打开这种感觉，使幼虫能够仅检测激活该特定受体的气味。他将它们放在气味源旁边并观察。

即使只有一个功能正常的嗅觉通道，幼虫仍然可以向更强烈的气味移动。但值得注意的是，他们在离源头一定距离的地方停了下来，只是在一个固定的轨道上绕着它转。塔德雷斯用一个对他正在测试的气味不太敏感的神经元重复了这个实验，并发现幼虫在停止之前离气味源更近了。

对这种行为感到困惑，Tadres 使用电极来测量感觉神经元的活动。正如预期的那样，随着气味变得更浓，信号也增加了。但是，活动并没有稳定在某个水平之上，而是跌至零。这就是变异幼虫围着气味源盘旋的原因;超过一定浓度，气味就会消失。

“嗅觉感觉神经元的沉默可以很容易地解释盘旋行为，这在以前是神秘的，”塔德雷斯说。“从那里不难推断，目前关于气味在不同浓度下如何编码的观点需要更新。”

研究人员知道，过度刺激会导致神经停止活动，这种效应称为“去极化阻滞”。然而，共识是这种超负荷不会在自然、健康的条件下发生。事实上，当这种反应发生在中枢大脑时，它与癫痫等问题有关。但当塔德雷斯观察到它影响幼虫的行为时，他怀疑这不仅仅是实验的产物。

一个数学模型

Tadres 和 Louis 开始调查去极化阻滞的原因。为了寻求帮助，他们联系了机械工程系主任 Jeff Moehlis 教授和 Louis 的博士生 Philip Wong(由 Moehlis 共同指导)，后者开始构建该系统的数学模型。

神经元膜上的电压可以用方程组来描述。该模型是 1952 年的一项突破性发现，并为其发现者艾伦霍奇金和安德鲁赫胥黎赢得了诺贝尔奖。对于此案例研究，Wong 添加了气味受体的数学表示，气味受体是启动模型其余部分的“触发器”。他还对癫痫研究领域进行了修改，其中高刺激会关闭细胞膜中的某些离子通道，从而阻止神经元放电。

Wong 的模型能够拟合和预测 Tadres 对神经元电活动的测量。“这非常有用，因为电生理学数据很难收集，而且分析起来非常耗时，”Wong 说。

除了证实实验结果外，该模型还在指导团队继续研究这种影响。“这个模型可以准确地告诉我们每个神经元对不同气味的反应，”Wong 说。

该模型的成功指向了去极化阻滞的一个可能来源：动物界神经元中存在的特定离子通道。如果属实，这表明大多数感觉神经元在受到强烈而持续的刺激后可能会变得沉默。该团队希望在即将进行的研究中验证这一假设。

更重要的是，该模型预测系统从低气味浓度上升到从高浓度下降的行为会有所不同。测量幼虫神经元的电压证实了这一点。当下降时，神经元不会在它陷入沉默的阈值以下重新激活。事实上，它在很大程度上保持沉默，直到气味浓度回落到零，然后才恢复正常活动。

更好的嗅觉系统

这项研究表明，高气味浓度可以使最敏感的受体沉默。这一违反直觉的结果标志着我们对气味的理解发生了根本性的转变。“随着气味浓度的增加，你会开始募集越来越多对该化合物不太敏感的气味受体，”路易斯解释说。“因此，在我们开展工作之前，人们普遍认为你只是不断地在图片中添加活性气味受体。”

这是有道理的，除非您将系统视为一个整体。如果是这种情况，那么化合物应该会在一定水平以上激活几乎所有受体。“所以你不可能在非常高的浓度下区分两种不同的气味，”塔德雷斯说。“而事实显然并非如此。”

让某些感觉神经元在其他感觉神经元加入时退出可能有助于保持高浓度气味之间的区别。这可能对生存很重要。当您大量闻到它们时，它可能会阻止共享某些化合物的毒药和营养素闻起来很相似。

它还可能对我们如何感知气味产生影响。“我们推测去除连续的高灵敏度嗅觉感觉神经元就像去除音乐和弦的根音一样，”路易斯说。“根音的省略将改变你的大脑感知与一组音符相关的和弦的方式。它将赋予它不同的含义。”

淡淡的花香表明附近的果园可能正在开花，这对饥饿的动物来说是有用的信息。同时，较高浓度的相同化合物会产生腐烂水果甚至污水的刺激性成熟味：最好避免这种情况。像这样的研究揭示了我们的嗅觉越来越复杂，而嗅觉的进化是为了帮助我们驾驭同样复杂的化学景观。

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