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心理所研究揭示嗅知觉加工中对气味分子的解构

小老虎 2024-03-19 16:30:06

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个体感受到的诸般气味源自嗅觉系统对经由空气传播的物质分子的编码表征。分子是保留化合物的物理化学性质的最小单元,也常被视作嗅觉加工的基本单元。近期,中国科学院心理研究所的周雯研究员及团队成员开展的一项研究发现,气味分子对嗅觉系统而言并非不可分割的整体,人类的嗅知觉表征包含了气味分子的亚分子结构信息。

研究者选取了具有亚结构-超结构关系的化合物作为嗅觉刺激,并利用了“心理学家的微电极”感知觉适应机制,即反复或长期刺激导致的相应神经元的反应消退。如图1所示,甲基环戊烯酮(methylcyclopentenone,C)和丙酸甲酯(methyl propionate,P)均可被视为甲基环戊烯酮醇丙酸酯(cyclotene propionate,Comp.CP)的亚结构;反之,Comp.CP则是C和P的超结构。藉此,研究者得以针对性地干扰嗅觉系统对亚分子结构特征的加工。对逾400名参与者的系统行为评估显示,对给定气味化合物的亚结构进行约3分钟的持续暴露(亚结构适应)后,该化合物的气味出现了“分解”,使它闻起来变得更像另一种代表其未适应部分的化合物。就C、P和Comp.CP而言,对P气味的适应使Comp.CP闻起来变得更像C,而对C气味的适则应使得Comp.CP闻起来变得更像P。此外,对Comp.CP的适应(超结构适应)并不改变C和P间的知觉相似性。这一现象在其他的气味组中也成立。值得一提的是,亚结构适应导致的气味变化独立于气味的强度、愉悦度等知觉属性。

图1. 研究中使用的气味化合物示例。Comp.CP(超结构)在结构上是C(亚结构)和P(亚结构)的复合。对P的嗅觉适应(亚结构适应)导致对Comp.CP的知觉及中枢表征发生改变,趋近于C对应的知觉及中枢集群表征模式。

研究者进一步通过功能磁共振成像比对了亚结构适应前后气味诱发的神经激活强度,发现位于初级嗅觉传导通路中的前梨状皮质(anterior piriform cortex)和杏仁核(amygdala)的活动对化合物的局部结构敏感。相较于对结构无关的气味分子的非特异性适应,亚结构适应后,前梨状皮质和杏仁核对气味的响应显著减弱。

另一方面,大量研究证据表明人们知觉到的气味品质,即气味闻起来是什么样儿的,由毗邻前梨状皮质和杏仁核并接受它们投射的后梨状皮质(posterior piriform cortex)以集群编码(ensemble coding)的方式表征。在后梨状皮质,研究者发现亚结构适应使得气味化合物诱发的空间激活模式变得类似于其未适应部分(而非适应部分)对应的空间模式,与行为实验结果相呼应。

这些发现在人类嗅知觉体验和化合物的亚分子结构特征间建立起了直接的联系,并显示个体对特定气味分子的嗅知觉和神经表征并不恒定,而是可以由近期的嗅觉遭遇动态调适,从而为理解“气味”(嗅知觉)形成背后的神经计算带来了新的启示。

在不断变换的化学环境中,人们的嗅觉系统仿佛一个勤恳而娴熟的分析化学家,对熙来攘往的气味分子们的结构特征和关系进行持续的分析和整合,由此建构起呼吸之间的气味景致。

该研究得到了科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目(2021ZD0204200)、中国科学院(JCTD-2021-06, QYZDB-SSW-smC055,XDB32020200,YSBR-068)和国家自然科学基金(31830037,32000789)的支持。论文第一作者为心理所博士毕业生叶玉婷和王宴庆(共同一作),通讯作者为周雯研究员。该研究成果近期在线发表于Nature Human Behaviour

论文信息:

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

本文标题:心理所研究揭示嗅知觉加工中对气味分子的解构

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