Nature新论文让我们穿越时空：大脑如何将气味与地点联系起来

　　

嗅觉具有穿越时间和空间的能力。可能是茉莉花的芬芳，也可能是海藻的霉味。突然间，你回到了童年的家，或者在遥远的海岸的烈日下。

气味和地点之间的这种联系似乎是人类认知中一个根深蒂固的方面。但这两者在大脑中是如何联系的呢?12月22日发表在科学杂志《自然》上的一项研究提出了一种可能的解释。

嗅觉和空间之间的神经联系

“气味分子本身并不携带空间信息。然而，野生动物利用气味来进行空间导航和记忆，这使它们能够找到食物等有价值的资源。”“我们想了解这些行为的神经基础，所以我们决定研究大脑如何结合嗅觉和空间信息。”

研究人员集中研究了初级嗅觉皮层。该研究报告的高级作者、葡萄牙尚帕利莫德未知研究中心的首席研究员扎卡里?迈宁说:“人类的嗅觉系统在各种感官中是独一无二的。”“只有嗅觉与海马体系统有直接的相互联系，而海马体系统与记忆和导航有关。”

初级嗅觉皮层中的神经元创造了一幅气味空间地图。

海马体神经元以其“位置细胞”的功能而闻名。这是因为每个细胞在环境中的特定位置变得活跃。这些神经元一起对整个区域进行编码，有效地创建了一幅神经空间地图。在老鼠身上发现的海马定位细胞是如此可靠，以至于科学家可以通过观察动物的活动来判断它们的位置。海马定位细胞的发现使其获得了2014年的诺贝尔生理学或医学奖。

“我们知道海马体系统向初级嗅觉皮层发送信号，”Poo说。“所以我们怀疑，这个大脑区域可能不仅仅是识别不同的气味。”

测试嗅觉神经元

为了验证这一想法，研究人员为嗅觉非常娴熟的老鼠开发了一个定制的谜题。这些老鼠在一个加号迷宫的四个末端采集气味样本。然后，根据气味，他们必须找出奖励藏在哪里。“在这项任务中，老鼠必须学习和记住气味和位置的确切联系，”蒲解释说。

当这些动物在解谜时，研究人员监测了初级嗅觉皮层中被称为后梨状皮层的部分神经元的活动。“神经元之间通过发出电脉冲进行交流，”Mainen解释说。“通过记录这个大脑区域中数百个神经元发出的电信号，我们能够解码特定的神经元关心什么。例如，当动物闻到一种特定的气味时，或者当动物在迷宫中的某个特定位置时，它们是否变得活跃。”

“结果超出了我们的预想。“我们预测，这里的一些神经元可能在一定程度上关心位置。“然而，通过仔细研究动物在迷宫中导航时嗅觉皮层神经元的活动，我们发现这些神经元已经学会了整个环境的地图。”

嗅觉神经元编码空间映射

研究人员发现，与海马定位细胞类似，大量神经元在迷宫中的特定位置变得活跃。有趣的是，地图并没有平等地覆盖整个环境。相反，它在很大程度上被限制在迷宫中行为重要的地方:在那里，动物体验到气味并获得奖励。

“看来，重要的位置是通过经验学习并编码到地图上的。值得注意的是，嗅觉系统中的这些细胞在没有气味的情况下，在特定的位置开始做出反应，甚至当老鼠只是四处走动，不参与任务时也是如此。”Mainen补充道。

太空的气息

这就是我们形成将特定气味与特定地点联系起来的记忆的方式吗?“我们发现这里的一些神经元对气味有反应，另一些对位置有反应，还有一些对这两种信息都有不同程度的反应。”所有这些不同的神经元混合在一起，并且可能相互连接。因此，我们可以推测，激活嗅觉空间联系可能是通过这个网络中的活动发生的。”便便建议道。

“这项研究也为理解感官是如何用于导航和记忆打开了一个新的窗口，”Mainen补充说。他总结道:“比起气味，人类更依赖于视觉地标，但我们记忆到过的地方和到达目的地的原理很可能非常相似。”

参考文献：

“Spatial maps in piriform cortex during olfactory navigation” by Cindy Poo, Gautam Agarwal, Niccolò Bonacchi and Zachary F. Mainen, 22 December 2021, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-04242-3