研究人员为大脑嗅觉中心的神经元提出了新的和关键的角色

资源：

哥伦比亚大学扎克曼研究所

概要：

科学家们已经发现，为什么大脑的嗅觉系统在个体之间非常一致，尽管这个地区的脑细胞布线因人而异。为了理解这种明显的悖论，研究人员开发了一种计算模型，显示两个大脑之前不需要嗅探相同的一组气味，以便达成一组新的气味。

在一项新的研究中，哥伦比亚大学的科学家发现了为什么大脑的嗅觉系统在个体之间非常一致，尽管这个地区的脑细胞布线在人与人之间差别很大。为了理解这种明显的悖论，研究人员开发了一种计算模型，显示两个大脑之前不需要嗅探相同的一组气味，以便达成一组新的气味。相反，只要两个大脑在其一生中都经历了最小的气味重叠，任何两个大脑都会知道将新的相似气味与对方相关联（如两种不同的花）。

这项工作上周在Neuron发表。

“我们的嗅觉系统中的许多脑细胞或神经元似乎是随机连接在一起的，这意味着当我闻到玫瑰时激活的神经元与你的玫瑰不同，所以为什么我们都确信我们闻的是什么？”该论文的资深作者Larry Abbott博士说，他是哥伦比亚大学Mortimer B. Zuckerman心脑行为研究所的计算神经科学家和首席研究员。 “通过创建这个模型，我们可以第一次发现看似随机活动背后的模式，揭示了我们的大脑如何识别气味的数学一致性。”

气味从鼻子到大脑的旅途是迷宫般的。当气味进入鼻腔时，称为嗅觉受体的特殊蛋白质将关于该气味的信息发送到称为嗅球的大脑中的指定位置。在二十世纪九十年代进行的一系列开创性研究中，哥伦比亚的Zuckerman研究所的合作者兼新的Neuron论文的共同作者Richard Axel博士发现了编码这些嗅觉受体的超过1,000种基因。这项与他的同事Linda B. Buck博士共同完成的这项工作使他们获得了2004年诺贝尔生理学或医学奖。

今天的文章重点关注信息如何离开嗅球，并被称为梨状皮层的大脑区域解释。梨状皮质被认为是处理气味的关键结构。因为没有两种气味是相同的，所以大脑必须使气味相似。这个过程称为泛化，它帮助大脑解释类似的气味。

“泛化是至关重要的，因为它可以让你记住以前的香味 - 例如咖啡 - 并将它连接到当前闻到的咖啡的气味，以指导你在早晨跌入厨房的时候，” Evan Schaffer博士说，他是Axel实验室的博士后研究员，也是该论文的第一作者。

然而，当科学家研究了泛化的概念时，他们对梨状皮层的两个矛盾感到困惑。首先，梨状皮层的神经活动是随机的，没有明显的逻辑或组织，因此研究人员不能将特定的神经活动模式与一类气味联系起来。

其次，梨状皮质本身似乎太大了。 Schaffer博士说：“科学家可以推断出人类大脑中大约一百万个梨形皮层神经元中只有约50,000个需要。 “鉴于如此高昂的神经元是多么昂贵，这就提出了一个问题：为什么这部分大脑中有这么多神经元？

研究人员开发了一种数学模型，为这两个悖论提供了一个解决方案：如果神经活动来自足够大的神经元池，两个大脑的确可以达成一类气味（即芳香的花朵与臭的垃圾）。

这个想法与众包类似，每个人都分析一个复杂问题的一部分。然后将这种分析集中在一起成为一个中心枢纽。

“这与梨状皮层发生的情况类似，”Schaffer博士说。 “这100万个神经细胞产生的不同神经活动模式，虽然不完整，但它们结合起来就可以完整地描绘出大脑的味道。”

然后通过对从果蝇大脑收集到的数据测试该模型，该团队进一步表明，这种神经活动有助于两个大脑就常见气味达成一致，即使在有限的共同经验下也是如此。

科学家们长期以来一直认为，两个大脑必须有一个共同的参考点，比如每个人之前都闻过一朵玫瑰，以便识别相同的气味。但这种模式表明，参考点可以是任何东西 - 玫瑰香味的记忆可以帮助两个人同意咖啡的气味。

“即使是最微小的常见经验似乎也能调整大脑，因此尽管我的神经活动与你的神经活动不同，但我们每个人在两种相关的气味 - 如花朵之间产生的关联 - 对我们来说都是相似的，”他说。 Schaffer博士。

这个模型在洞察长期持续的知觉悖论的同时，突出了嗅觉系统的基本优雅：尽管包含不同的神经元，记忆和经验 - 两个大脑仍然可以达成一致。

Schaffer博士说：“我们不需要嗅探世界上每种类型的气味，我们所闻的气味都可以使一致的。” “只要我们有一点共同的经验，就够了。”