花香 圖片來源：Pixabay
在流行電視劇《黑鏡》的名為鱷魚的一集中，一名調查員讓目擊者聞一瓶啤酒。其目的是喚起她對犯罪現場的記憶（犯罪發生在啤酒廠附近）。這或許不是標準的做法，但我們的嗅覺是以喚起記憶的能力著稱的。一股特殊的氣味可以帶你回到你祖母的廚房，你第一次跳舞的夜晚，或者海邊。並且想想“氣味營銷”，品牌設計師在其中注入“標誌性氣味”來提高品牌在全球的知名度，例如在時裝店和酒店大堂。
一直以來，研究嗅覺的神經學家一直想知道我們的嗅覺和記憶之間的聯絡。記憶和嗅覺之間的這種關係是大腦連線方式的結果嗎？最近發表在《自然》（Nature）雜誌上的一項研究為回答這個歷史性難題開闢了重要道路。
在分享這項研究之前，我們先了解一下大腦如何促進我們嗅覺的背景知識。氣味分子最初是由鼻子裡的受體神經元探測到的。神經元首先將這些相遇的資訊傳送給嗅球，這是一個位於鼻腔上方且大小和你的指尖差不多的大腦結構。然後嗅球將訊號傳送到另一個被稱為梨狀皮質的大腦結構。人們認為氣味的識別發生在這裡，也就是說，我們識別它的潛在來源，比如蘋果、香蕉和新割的草。
研究人員做了什麼
實驗機理圖 圖片來源：Poo, C., Agarwal, G., Bonacchi, N. et al. Spatial maps in piriform cortex during olfactory navigation. Nature, 601, pages595–599 (2022)
為了研究大腦是如何將嗅覺和空間資訊結合起來的，在葡萄牙尚帕利莫未知中心（Champalimaud Centre for the Unknown），Cindy Poo和她的同事讓六隻老鼠完成一項導航任務。
老鼠必須反覆在一個有四個走廊的十字形地圖上行走，每次從大約兩分半鐘路程的位置開始（影片見原文）。在每項試驗的開始，一盞燈將老鼠指引向其中一個走廊，在那裡它將隨機暴露於四種不同的氣味（柑橘、草、香蕉和醋）中的一種。而水的獎勵位置取決於老鼠所接觸到的氣味。
例如，柑橘的氣味意味著水的獎勵在南邊走廊的盡頭。如果老鼠在東走廊接觸到柑橘的氣味，它將需要向南行進以獲得獎勵。如果第一時間在南走廊聞到氣味，它就可以呆在原地接受獎勵。他們的想法是，經過練習，特定的氣味會向老鼠發出獎勵的位置的訊號。
迷宮周圍裝飾有視覺地標，所以老鼠也可以根據這些地標來確定自己的方向。然而，老鼠的起點在每次試驗中是不同的。如果起點是固定的，理論上它們可以記住一系列的轉彎來找到正確的走廊，而完全不使用任何空間記憶。而不同的起點意味著要成功完成這項任務需要空間導航和嗅覺的結合。
經過大約三週的訓練，老鼠表現得相當不錯。在大約70%的試驗中，他們能夠找到水的獎勵。這表明老鼠能夠將它們內部的環境地圖與氣味的位置結合起來確定獎勵的位置。
觀察神經元活動
腦結構 圖片來源：Pixabay
海馬體是大腦中與記憶和導航有關的一部分，它的神經元以“位置細胞”的功能而聞名。這些細胞在環境中的特定位置變得活躍，使我們從四周中找到自己的路。類似的細胞也在大腦的另一個被稱為內嗅皮層的區域被發現。
這項新研究最引人注目的發現是，這種位置選擇性細胞不僅存在於海馬體和內嗅皮層中，而且存在於主要與嗅覺功能相關的大腦區域，即梨狀皮質，該區域被認為主要負責氣味識別。
在該研究中，研究人員監測了這一區域神經元的電活動。令人驚訝的是，他們發現在老鼠大腦的這個區域只有大約30%的神經元對特定的氣味有反應。另外30%的神經元會對特定的氣味和位置做出反應。
其餘40%的活躍神經元對特定的氣味完全沒有反應，而是對老鼠之前聞到氣味的位置有反應。當老鼠剛剛進入走廊，這些位置選擇性神經元甚至會在遇到任何氣味之前開始活動。然後，研究人員想要了解當老鼠在解謎時，海馬體和梨狀皮質是否會相互“交談”。他們發現，當老鼠走迷宮時，這兩個區域的細胞往往會同步放電。
這告訴我們什麼？
這些結果表明，嗅覺系統可能在空間導航中發揮作用，並且空間記憶和嗅覺資訊在梨狀皮層中匯聚。但是為什麼大腦會在同一個區域進化出描述位置和氣味的細胞呢?
答案可能是氣味是我們尋找出路的非常有用的線索，例如，松樹林和草地的氣味不同，狐狸穴和老鼠窩的氣味也不同。這一規則即使在人造環境中也適用：地鐵系統中的氣味與超市不同，辦公室的氣味也不同於餐廳。因此，我們的大腦將氣味與地點聯絡起來，是因為這在我們的進化歷程中很有用。
雖然這項研究是在老鼠身上進行的，老鼠比人類更依賴嗅覺來導航，而我們的感知由視覺主導，但這些發現為嗅覺和空間記憶在人腦中的可能聯絡提供了新的見解。
撰文：Michael Schmuker，赫特福德大學神經計算學教授。
翻譯：馬孔碩
審校：張欣怡
引進來源：theconversation
本文來自：中國數字科技館
