Nat Commun | 為什么斷斷續(xù)續(xù)的飯香也能聞出是啥菜？哈佛大學(xué)揭示間歇性嗅覺信號(hào)的感知與神經(jīng)編碼

你有沒有過(guò)這樣的經(jīng)歷：廚房飄來(lái)一陣一陣飯菜香，明明不是持續(xù)不斷，你卻能準(zhǔn)確判斷香味從哪來(lái)、濃不濃？夏天傍晚，晚風(fēng)把花香斷斷續(xù)續(xù)吹過(guò)來(lái)，你依然能知道附近有花。

這些一陣一陣、斷斷續(xù)續(xù)的氣味，動(dòng)物到底是怎么感知、怎么判斷、怎么靠它做決定的？大腦又是如何把這些碎片化的氣味信息拼起來(lái)的？

2026年4月29日，哈佛大學(xué)Venkatesh N. Murthy教授團(tuán)隊(duì)在《Nature Communications》上發(fā)表研究《Perception and neural representation of intermittent odor stimuli in mice》。

結(jié)果顯示，小鼠能夠在數(shù)秒內(nèi)對(duì)斷斷續(xù)續(xù)的氣味脈沖進(jìn)行整合，并以此做出判斷；其中吸氣階段接收到的氣味信號(hào)，對(duì)決策的影響明顯更大，這一規(guī)律與嗅覺感覺神經(jīng)元的反應(yīng)強(qiáng)度高度一致。同時(shí)，前梨狀皮層（APCx）的神經(jīng)元只對(duì)氣味脈沖做隨機(jī)、短暫的反應(yīng)，并不出現(xiàn)證據(jù)累積式的逐步增強(qiáng)活動(dòng)。

小鼠能統(tǒng)計(jì)不規(guī)則出現(xiàn)的氣味嗎？

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一項(xiàng)二選一強(qiáng)迫選擇行為任務(wù)：將小鼠頭部固定，向其鼻腔隨機(jī)釋放時(shí)長(zhǎng)僅 50 毫秒的短暫氣味脈沖，讓小鼠根據(jù)脈沖總數(shù)判斷并做出選擇 —— 高于閾值舔一側(cè)水嘴，低于閾值則舔另一側(cè)。

結(jié)果表明，小鼠能快速學(xué)會(huì)這項(xiàng)任務(wù)，判斷準(zhǔn)確率接近 90%。它們可以在 1.25 秒至 10 秒的時(shí)間范圍內(nèi)穩(wěn)定整合氣味信息，且僅依靠氣味本身做出判斷，不受氣流變化或聲音干擾。進(jìn)一步通過(guò)混合效應(yīng)邏輯回歸分析證實(shí)，小鼠對(duì)不同時(shí)間出現(xiàn)的氣味脈沖會(huì)賦予不同的感知權(quán)重，說(shuō)明其在持續(xù)累積氣味證據(jù)，而非只依賴某一瞬間的刺激。

為什么吸氣時(shí)聞到的氣味更有效？

小鼠的呼吸頻率約3赫茲（每秒3次呼吸）。研究者把每個(gè)呼吸周期平均分成15段，精準(zhǔn)分析不同呼吸相位對(duì)行為的影響。

結(jié)果顯示，吸氣峰值時(shí)的氣味脈沖，感知權(quán)重最大；呼氣時(shí)的氣味脈沖，幾乎被完全忽略。用寬場(chǎng)鈣成像觀察嗅覺感覺神經(jīng)元（OSNs，鼻子里的第一級(jí)嗅覺神經(jīng)元），發(fā)現(xiàn)它們的響應(yīng)強(qiáng)度與小鼠的行為權(quán)重高度吻合（相關(guān)系數(shù)0.94），這意味著這種吸氣優(yōu)先的感知偏向，從嗅覺輸入的最源頭就已經(jīng)決定了。

因此，吸氣時(shí)聞到的氣味更有效，大腦無(wú)法彌補(bǔ)呼氣期錯(cuò)過(guò)的信息。

大腦皮層是怎么處理這些碎片化信息的？

研究者用在體電生理技術(shù)，記錄了前梨狀皮層（APCx）的神經(jīng)元活動(dòng)。如果APCx負(fù)責(zé)累積證據(jù)，我們應(yīng)該看到隨著氣味脈沖一個(gè)個(gè)出現(xiàn)，某些神經(jīng)元的放電頻率應(yīng)該逐漸升高或逐漸降低（像一個(gè)累加器）。

結(jié)果顯示，神經(jīng)元隨氣味脈沖增多呈現(xiàn)增強(qiáng)或減弱放電，但全程未出現(xiàn)逐漸升高 / 降低的累積信號(hào)。分時(shí)段解碼結(jié)果顯示，各時(shí)間段編碼準(zhǔn)確率一致，臨近決策時(shí)刻也無(wú)明顯提升。約 20 個(gè)神經(jīng)元的群體活動(dòng)即可反映總脈沖數(shù)，但僅編碼實(shí)時(shí)感覺信息，不存儲(chǔ)累積值。

因此，該腦區(qū)只實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)播氣味信號(hào)，不負(fù)責(zé)將信息累積起來(lái)用于決策。

單個(gè)神經(jīng)元是靠各自響應(yīng)還是團(tuán)隊(duì)合作來(lái)編碼氣味的？

研究者用DUNL反卷積深度學(xué)習(xí)算法拆解單個(gè)神經(jīng)元的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了嗅覺皮層的隨機(jī)編碼策略：?jiǎn)蝹€(gè)神經(jīng)元只對(duì)約50%的氣味脈沖產(chǎn)生反應(yīng)，每次激活的細(xì)胞群體都不同，脈沖間隔小于1秒時(shí)，會(huì)出現(xiàn)適應(yīng)現(xiàn)象（響應(yīng)減弱）。按呼吸相位將神經(jīng)元分為4群，約一半細(xì)胞完全不受呼吸影響，另一半受不同程度調(diào)控；呼吸調(diào)控越強(qiáng)的神經(jīng)元，解碼任務(wù)信息的準(zhǔn)確性越高。

因此，皮層依靠神經(jīng)元群體隨機(jī)配合編碼氣味，呼吸僅調(diào)控部分細(xì)胞的響應(yīng)。

全文總結(jié)

本研究證實(shí)小鼠可跨呼吸周期整合間歇性氣味脈沖完成數(shù)量判別，吸氣期氣味感知權(quán)重更高且源于外周嗅覺神經(jīng)元的相位響應(yīng)；前梨狀皮層以隨機(jī)、瞬時(shí)、群體編碼方式傳遞實(shí)時(shí)氣味信息，不承擔(dān)證據(jù)累積功能，呼吸節(jié)律全程限制嗅覺信息加工，完整揭示自然波動(dòng)氣味的行為策略與神經(jīng)通路編碼規(guī)律。

小編寄語(yǔ)：

當(dāng)你站在廚房門口，飯香一陣一陣飄過(guò)來(lái)，即便不是持續(xù)不斷，你也能立刻判斷出 “在燉肉”；傍晚走在路上，花香斷斷續(xù)續(xù)隨風(fēng)而來(lái)，你依然清楚 “附近一定有花”。我們之所以能做到這一點(diǎn)，是因?yàn)樾嵊X系統(tǒng)并不會(huì)只靠某一瞬間的氣味做判斷，而是會(huì)把這些碎片化、時(shí)有時(shí)無(wú)的氣味信號(hào)，在短短幾秒內(nèi)收集、整合起來(lái)，形成可靠的感知。最終你感受到的，從來(lái)不是單獨(dú)某一口呼吸的氣味，而是跨越數(shù)秒、整合多次呼吸之后的完整嗅覺信息。

https://doi.org/10.1038/s41467-026-72445-1

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