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你有沒有想過,同一杯咖啡,剛沖好是咖啡味,放涼了濃度變了,還是咖啡味。這對你來說理所當(dāng)然,但對大腦來說,卻是一個巨大的挑戰(zhàn)。
嗅覺受體細胞對濃度其實非常敏感,理論上,嗅覺受體細胞對濃度高度敏感,濃度變化應(yīng)該導(dǎo)致完全不同的神經(jīng)信號。但現(xiàn)實中,你從來不會把濃咖啡聞成茶。大腦究竟是怎么做到無視濃度,只認(rèn)氣味身份的?
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2026年4月13日,紐約大學(xué)格羅斯曼醫(yī)學(xué)院Dmitry Rinberg、Shy Shoham團隊在《Nature Neuroscience》上發(fā)表的研究《 Rapid temporal processing in the olfactory bulb underlies concentration-invariant odor identification and signal decorrelation 》,第一次揭開了這個“嗅覺恒常性”的秘密:
該研究發(fā)現(xiàn)嗅球通過快速時間濾波機制:吸氣初期被激活的神經(jīng)元,攜帶的是“氣味身份證”,這部分信號在不同濃度下高度穩(wěn)定;而后期被激活的信號,會被嗅球內(nèi)部的抑制網(wǎng)絡(luò)直接屏蔽。
該機制實現(xiàn)氣味識別不受濃度干擾、不同氣味信號快速去相關(guān),解答了嗅覺如何穩(wěn)定辨味的核心問題。
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早期信號最穩(wěn)定,是氣味的“身份證”
研究者用雙光子鈣成像和呼吸同步氣味遞送,在清醒小鼠上實時記錄嗅球中腎小球和僧帽/叢狀細胞(MTCs)的活動。結(jié)果發(fā)現(xiàn)了一個規(guī)律:氣味激活腎小球和MTCs有明確的先后順序;最早被激活的細胞,在不同濃度下信號高度一致;后期被激活的細胞,信號隨濃度大幅變化。
根據(jù)這個規(guī)律,團隊把細胞分成兩類:
穩(wěn)定型:高濃度和低濃度都有反應(yīng),全部集中在吸氣初期;
不穩(wěn)定型:只在一種濃度有反應(yīng),潛伏期更長
因此,嗅覺系統(tǒng)只提取最早的信號當(dāng)氣味身份標(biāo)簽,后期信號直接忽略。
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30-40毫秒的時間窗口決定信號能否通過
腎小球是信號輸入站,MTCs 是輸出站,二者傳遞有嚴(yán)格時間窗口。
吸氣開始后約 30–40 毫秒是興奮窗口期,只有這個時段被激活的腎小球,才能順利驅(qū)動 MTCs 產(chǎn)生興奮信號;窗口期過后,嗅球內(nèi)部抑制網(wǎng)絡(luò)啟動,后續(xù)激活的腎小球就算信號強,也沒法讓 MTCs 興奮,反而被抑制。
因此,時間窗口決定了哪些氣味信息能被傳遞到大腦。
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抑制網(wǎng)絡(luò)是時間濾波器的核心
這種時間濾波由嗅球的側(cè)向抑制實現(xiàn),早期激活的腎小球會啟動抑制神經(jīng)元,快速阻斷后期輸入。
團隊用氣味混合實驗驗證發(fā)現(xiàn),先被激活的腎小球會壓制后激活的,即使后激活的信號更強,也無法逆襲;這說明時間濾波是通用規(guī)則,不是個別細胞的特例,也解釋了小鼠能快速辨味、不受濃度干擾的神經(jīng)基礎(chǔ)。
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全文總結(jié)
本文解析了小鼠嗅球的信號處理邏輯:
吸氣開始 → 氣味分子到達嗅覺受體 → 腎小球按時間順序被激活 →前30-40毫秒內(nèi)激活的腎小球通過興奮窗口 → 驅(qū)動MTCs產(chǎn)生信號 → 傳遞到大腦 →識別氣味。
窗口期過后 → 側(cè)向抑制網(wǎng)絡(luò)啟動 → 后期激活的腎小球被抑制 → 信號被屏蔽。
因此,這套機制讓動物在氣味濃度波動時仍穩(wěn)定識別氣味,還能快速區(qū)分相似氣味,揭示了嗅覺皮層前處理的關(guān)鍵編碼原則。
小編寄語:
嗅覺恒常性(無視濃度波動穩(wěn)定識別氣味)是嗅覺系統(tǒng)最基礎(chǔ)、也最神秘的能力之一。
紐約大學(xué)格羅斯曼醫(yī)學(xué)院Dmitry Rinberg、Shy Shoham團隊的這項研究,首次從神經(jīng)回路層面給出了答案:大腦不關(guān)心一個氣味有多濃,它只關(guān)心這個氣味來得有多快。通過時間濾波機制,嗅球在信號到達皮層之前,就完成了最關(guān)鍵的預(yù)處理:提取身份,過濾噪音。
這不僅讓動物能在復(fù)雜多變的環(huán)境中穩(wěn)定識別氣味,還能快速區(qū)分那些化學(xué)成分相似的氣味,堪稱神經(jīng)計算的杰作。
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https://doi.org/10.1038/s41593-026-02250-y
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