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        依靠嗅覺就能感知全貌?其實你也有這項技能
        發布時間:2022-08-18
        出品:科普中國
        作者:林風(安陽工學院)
        監制:中國科學院計算機網絡信息中心

          當我們聞到花香時,可能會想起春游時漫山遍野的花朵或者與小伙伴們在花叢中嬉戲打鬧的場景;當我們漫步在小酒館的門口時,可能會想起心中的那個ta,沉浸在往事中。

          在這些過程中,除了記憶喚醒外,還存在另一種抽象的概念--知覺。不同于感覺只是大腦對客觀事物某一方面屬性的反映,知覺是大腦在感覺的基礎上對客觀事物整體屬性的反映。

           

          花香會讓人回想起曾經看到的春色

          (圖片來源pexels)

          簡單打個比方,當你看到一個認識的人,這是視覺,但是你會聯想起這個人的名字、性格、背景、人際關系等等,并對其做出示好或者討厭的舉動,這就是知覺。

          那么,大腦是如何將感覺轉化為知覺的呢?

        我們對感覺轉化為知覺的過程,了解到什么程度了?

          以嗅覺與知覺為例,目前人們已經清楚嗅覺系統能分辨出上千種氣味,但是對于嗅覺如何轉化為知覺,并最終影響行為,以及嗅覺系統的深層次的聯系方式了解還不多。

          之前的研究對此給出了一個大概的圖景:首先嗅覺神經元將與氣味相關的信息傳遞給嗅小球;接著,每個嗅小球與20-50個僧帽/叢狀細胞(簡稱MT細胞)一起對氣味信息進行加工處理后傳遞給嗅覺皮層(大腦)。

          也就是說,嗅覺到大腦主要分為兩步,一是鼻子到嗅球,二是嗅球到大腦。目前,從鼻子到嗅球的反應模式已經得到了很好的研究,但是從嗅球到大腦中樞的反應機制還未闡明,尤其是在神經元水平方面還不是很清晰。

          2020年6月19日紐約大學朗格尼醫學中心神經科學研究所的Dmitry Rinberg研究團隊在Science雜志發表了最新研究成果,他們首次揭示了在神經元層面嗅球對產生知覺所起的作用。

           

          Science報道了嗅球產生知覺的神經機理

          (圖片來源參考文獻1)

          研究人員通過光遺傳學技術激活MT細胞(點刺激的范圍為120平方微米),神經興奮時間可持續80ms左右。因為是人工產生的,所以這種刺激被稱為“合成氣味”。

        什么是光遺傳學?

          光遺傳學(opeogenetics),也稱光控基因技術,是近幾年迅速發展的一項整合了光學、軟件控制、基因操作技術等多學科的交叉生物工程技術。

          它能精準控制或測定特定活體細胞在時間和空間上的活動,具有獨特的高時空分辨率和細胞類型特異性,時間精準度能達到毫秒級別,空間分辨率能達到單細胞級別。

           

          通過訓練老鼠來識別合成氣味模式:即人為刺激嗅球,并在空間尺度和時間尺度上模擬嗅覺感知

          (圖片來源參考文獻1)

          在經典的神經生物學實驗中,激活一個神經細胞的方法大致有兩種:物理方法和化學方法。

          物理方法就是電刺激,比如說將金屬電極放在神經細胞旁邊,改變細胞外的電場,從而激活細胞。化學方法則是指施加神經遞質類的小分子,或者可作用于細胞受體的藥物。

          傳統方法不加區分地刺激所有接入點的細胞,而且不能精準地控制某種神經元放電,但光遺傳學則可以利用光來準時刻、準點位地刺激細胞。

           

          光遺傳學可實現精準點刺激

          (圖片來源環球科學)

          這其中的主要原理是采用基因操作技術將光感基因轉入到神經中特定類型的細胞中,進行特殊離子通道或蛋白受體的表達。

          光感離子通道在不同波長的光刺激下會分別對細胞膜兩邊的膜電位造成影響,進而達到對細胞進行選擇性興奮或者抑制的目的。

           

          光遺傳蛋白的作用原理—利用離子通道對離子的選擇性來調節細胞的興奮性

          (圖片來源作者組合)

          由于氣味模擬信號是人為產生的,因此研究人員可以操縱相關神經信號傳遞的時間和順序,并確定哪些變化對小鼠準確識別“合成氣味”的能力最重要。

        如何將嗅覺轉化為知覺?

          為了探究嗅覺是如何轉化為知覺的,研究人員進行了一系列的實驗操作,并從中發現了規律。

          比如在利用小鼠進行的相關實驗中,當對小鼠在規定的時間進行有序的6個模擬氣味刺激后(這種激活模式包含空間和時間特征),小鼠壓桿會得到水以作為獎勵,這稱為目標模式激活(模擬的是某種目標氣味)。

          當對小鼠隨機進行6個模擬氣味刺激后,小鼠壓桿不會得到水作為獎勵,這稱為非目標模式激活(其模擬的是另一種不同的氣味)。

          研究人員通過目標模式激活來訓練小鼠識別特定的信號,以及壓桿喝到水的行為。在這個實驗中識別信號代表的是嗅覺,嗅到特定味道后壓桿喝水代表的則是知覺。

           

          小鼠嗅球的人工刺激目標模式與非目標模式

          (圖片來源參考文獻1) 

          為了方便大家理解,我們可以把上面說的目標模式設為p,把點刺激的時間長短看作變量x,將點刺激的空間順序看作變量y。

          為了進一步區分p中變量x和變量y分別對小鼠嗅覺及行為變化的影響,研究人員通過控制變量法進行實驗:首先,保持x不變,改變y,來觀察信號傳遞順序對小鼠行為的影響;其次,保持y不變,改變x,觀察作用時間對小鼠行為的影響。

          通過這一頓猛如虎的操作,研究人員發現小鼠的感知反應不僅取決于哪些細胞被激活(空間特征),還取決于此類細胞的激活潛伏期(時間特征),也就是說所有氣味受體對給定刺激的相對敏感性不同,敏感性強的受體激活潛伏期相對較短。

          此外,研究人員還發現,被較早激活的細胞對行為反應影響較大。而且特定的氣味會在大腦中形成記憶信號,這樣再次受到相似刺激的時候就會按照目標模式做出相應的反應。

          就像生活中聞到桂花香味會想到桂花糕一樣(這也是一種知覺,不僅僅包括香味,還有形狀味道等整體屬性)。細胞激活的順序就類似于氣味的獨特性,如果聞到的不是桂花香,自然不會想到桂花糕。

          而細胞的激活潛伏期就類似于氣味的濃度或人對氣味的敏感性,如果香味不重或者人對桂花香味不敏感,自然也不會產生聯想。并且在同等濃度、同種香味的條件下,對氣味敏感的人,香味對他的影響也會越大。

          總的來說,此項工作將光遺傳學技術產生的人工氣味作用到小鼠身上,確定了嗅球識別出特定氣味所需受體的最少數量和種類,這有助于人們理解大腦如何利用嗅覺信息(感覺)產生知覺(調控行為)。

          通過一系列的實驗研究,人們終于弄懂了感覺是如何轉化為知覺的。你說這重要嗎?這當然重要。

          如果說感覺是對具體的把握,那么知覺就是對整體的掌控,打通感覺到知覺的路徑,既可以是科學的,也可以是哲學的,你看下次聊天,你不就可以從科學角度來解釋解釋什么是“見山是山,見山不是山”了!

          編輯王婷婷

          參考文獻:

          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

        科普中國官方網站: https://www.kepuchina.cn/
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        被粗大噗嗤噗嗤进出灌满

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