心理所研究揭示嗅知覺(jué)表征氣味分子的亞結構信息
秀樾橫塘十里香,水花晚色靜年芳
賭書(shū)消得潑茶香,當時(shí)只道是尋常
人們感受到的諸般氣味源自嗅覺(jué)系統對經(jīng)由空氣傳播的物質(zhì)分子的編碼表征。分子是保留化合物的物理化學(xué)性質(zhì)的最小單元,也常被視作嗅覺(jué)加工的基本單元。近期,中國科學(xué)院心理研究所的周雯研究員及團隊成員開(kāi)展的一項研究發(fā)現,氣味分子對嗅覺(jué)系統而言并非不可分割的整體,人類(lèi)的嗅知覺(jué)表征包含了氣味分子的亞分子結構信息。
在這項研究中,研究者選取了具有亞結構-超結構關(guān)系的化合物作為嗅覺(jué)刺激,并利用了“心理學(xué)家的微電極”感知覺(jué)適應機制,即反復或長(cháng)期刺激導致的相應神經(jīng)元的反應消退開(kāi)展研究。如圖1所示,甲基環(huán)戊烯酮(methylcyclopentenone,C)和丙酸甲酯(methyl propionate,P)均可被視為甲基環(huán)戊烯酮醇丙酸酯(cyclotene propionate,Comp.CP)的亞結構;反之,Comp.CP則是C和P的超結構。藉此,研究者得以針對性地干擾嗅覺(jué)系統對亞分子結構特征的加工。對逾400名參與者的系統行為評估顯示,對給定氣味化合物的亞結構進(jìn)行約3分鐘的持續暴露(亞結構適應)后,該化合物的氣味出現了“分解”,使它聞起來(lái)變得更像另一種代表其未適應部分的化合物。就C、P和Comp.CP而言,對P氣味的適應使Comp.CP聞起來(lái)變得更像C,而對C氣味的適應則使得Comp.CP聞起來(lái)變得更像P。此外,對Comp.CP的適應(超結構適應)并不改變C和P間的知覺(jué)相似性。這一現象在其他的氣味組中也成立。值得一提的是,亞結構適應導致的氣味變化獨立于氣味的強度、愉悅度等知覺(jué)屬性。
圖1. 研究中使用的氣味化合物示例。Comp.CP(超結構)在結構上是C(亞結構)和P(亞結構)的復合。對P的嗅覺(jué)適應(亞結構適應)導致對Comp.CP的知覺(jué)及中樞表征發(fā)生改變,趨近于C對應的知覺(jué)及中樞集群表征模式。
研究者進(jìn)一步通過(guò)功能磁共振成像比對了亞結構適應前后氣味誘發(fā)的神經(jīng)激活強度,發(fā)現位于初級嗅覺(jué)傳導通路中的前梨狀皮質(zhì)(anterior piriform cortex)和杏仁核(amygdala)的活動(dòng)對化合物的局部結構敏感。相較于對結構無(wú)關(guān)的氣味分子的非特異性適應,亞結構適應后,前梨狀皮質(zhì)和杏仁核對氣味的響應顯著(zhù)減弱。
另一方面,大量研究證據表明人們知覺(jué)到的氣味品質(zhì),即氣味聞起來(lái)是什么樣兒的,由毗鄰前梨狀皮質(zhì)和杏仁核并接受它們投射的后梨狀皮質(zhì)(posterior piriform cortex)以集群編碼(ensemble coding)的方式表征。在后梨狀皮質(zhì),研究者發(fā)現亞結構適應使得氣味化合物誘發(fā)的空間激活模式變得類(lèi)似于其未適應部分(而非適應部分)對應的空間模式,與行為實(shí)驗結果相呼應。
這些發(fā)現在人類(lèi)嗅知覺(jué)體驗和化合物的亞分子結構特征間建立起了直接的聯(lián)系,并顯示個(gè)體對特定氣味分子的嗅知覺(jué)和神經(jīng)表征并不恒定,而是可以由近期的嗅覺(jué)遭遇動(dòng)態(tài)調適,從而為理解“氣味”(嗅知覺(jué))形成背后的神經(jīng)計算帶來(lái)了新的啟示。
在不斷變換的化學(xué)環(huán)境中,人們的嗅覺(jué)系統仿佛一個(gè)勤懇而嫻熟的分析化學(xué)家,對熙來(lái)攘往的氣味分子們的結構特征和關(guān)系進(jìn)行持續的分析和整合,由此建構起呼吸之間的氣味景致。
該研究得到了科技創(chuàng )新2030-“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”重大項目(2021ZD0204200)、中國科學(xué)院(JCTD-2021-06, QYZDB-SSW-SMC055,XDB32020200,YSBR-068)和國家自然科學(xué)基金(31830037,32000789)的支持。論文第一作者為心理所博士畢業(yè)生葉玉婷和王宴慶(共同一作),通訊作者為周雯研究員。該研究成果近期在線(xiàn)發(fā)表于Nature Human Behaviour。
論文信息:
Ye,Y.?,Wang,Y.?,Zhuang,Y.,Tan,H.,Zuo,Z.,Yun,H.,Yuan,K. & Zhou,W.* (2024). Decomposition of an odorant in olfactory perception and neural representation.Nature Human Behaviour. https://www.nature.com/articles/s41562-024-01849-0
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