嗅觉的艺术：大脑的嗅觉过程既像一幅画，又像一首交响乐

当我们闻到玫瑰的味道时会发生什么？我们的大脑是如何处理香味的本质的？它是否像一幅画——细胞闪烁活动的快照——在瞬间捕捉到？或者像交响乐一样，由不同的细胞组成的不断进化的集合，共同捕捉气味？新的研究表明，我们的大脑两者都有。

　　

“这些发现揭示了神经系统的一个核心原理，即大脑为代表感官世界的各个方面而进行的各种计算的灵活性，”Krishnan Padmanabhan博士说，他是神经科学副教授，也是最近发表在《细胞报告》上的这项研究的资深作者。“我们的工作为科学家提供了量化和解释大脑活动模式的新工具。”

研究人员开发了一个模型来模拟早期嗅觉系统的工作方式。早期嗅觉系统是大脑用于嗅觉的网络。通过计算机模拟，他们发现了一组特殊的连接，称为离心纤维，它将来自中枢神经系统其他部分的脉冲传递到大脑的早期感觉区域，发挥了关键作用。这些离心纤维就像一个开关，在不同的策略之间切换以有效地表达气味。当这些离心纤维处于一种状态时，梨状皮层(感知气味的地方)的细胞依赖于特定时间内的活动模式。当离心纤维处于另一种状态时，梨状皮层中的细胞通过依赖大脑活动的模式来检测和分类气味，从而提高了准确率和速度。

这些过程表明，大脑对一种气味有多种反应。在一种策略中，大脑利用一个快照，比如一幅画或一张照片，在特定的时刻捕捉气味的基本特征。在另一种策略中，大脑跟踪进化的模式。它能适应细胞的开启和关闭，就像交响乐一样。

研究人员开发的数学模型突出了神经系统的关键特征——不仅是组成大脑的成分的多样性，而且这些成分是如何协同工作来帮助大脑体验气味世界的。帕德马纳班说:“这些数学模型揭示了大脑中嗅觉系统可能如何工作的关键方面，可以帮助建立受大脑启发的人工计算系统。”“受这样的大脑回路启发的计算方法有可能提高自动驾驶汽车的安全性，或帮助计算机视觉算法更准确地识别和分类图像中的物体。”

其他作者包括罗切斯特大学的陈真。这项研究由美国国立卫生研究院、美国国家科学基金会、胱氨酸病研究基金会和罗切斯特大学的德尔蒙特神经科学研究所试点项目资助。

Journal Reference:

1. Zhen Chen, Krishnan Padmanabhan. Top-down feedback enables flexible coding strategies in the olfactory cortex. Cell Reports, 2022; 38 (12): 110545 DOI: 10.1016/j.celrep.2022.110545