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日本理研脑科学研究所揭示大脑中气味偏好的计算过程

愉悦和难闻的气味是每个人生活的一部分,但是当存在其他气味时,我们对气味的反应又如何变化?为了回答这个问题,日本理研脑科学研究所的研究人员已经结合了实验和建模方法,以揭示大脑中气味偏好的计算过程。

该著作发表在《神经元》上,展示了果蝇大脑嗅觉加工中心的神经元活动如何被解码以预测对气味的行为反应,并揭示了气味的相对偏好会根据情况而发生变化。

对于许多动物而言,嗅觉(即检测和解释环境中化学物质的能力)对于生存至关重要。从昆虫到哺乳动物,嗅觉对于一系列行为至关重要,包括觅食,栖息地和猎物定位,避免捕食者以及社交交流。尽管对气味进行适当的响应需要能够将有害物质与有益物质区分开来,但如何在大脑中实现气味却是一个悬而未决的问题。

当闻到气味时,它会激活大脑第一嗅觉中枢中称为肾小球的小神经元结构。尽管通常认为气味信息被编码为跨时空的肾小球活动模式,但肾小球的绝对数量(小鼠约为1800,人类约为5500)是嗅觉研究的主要障碍。

为了克服这一障碍,Hokto Kazama和他的团队利用了果蝇Drosophila melanogaster中较简单的嗅觉系统,该系统的功能和组织与哺乳动物相似,但仅包含约50个肾小球。Kazama解释说:“由于肾小球数量有限,我们能够使用双光子钙成像技术来系统记录几乎所有苍蝇肾小球对大量气味的反应所引起的气味。”

在聪明的飞行模拟器舞台上对飞行行为进行了监控。在这个虚拟现实系统中,苍蝇的头是固定的,周围环绕着嗅觉和视觉景观,该视觉景观根据机翼的运动实时旋转。苍蝇表现出连续的反应,从强烈的吸引力到强烈的厌恶感-几乎飞到了异味中或从异味中飞出-他们的判断速度非常快,有时甚至短至200毫秒。

通过分析这些行为和生理数据,研究人员建立了一个数学模型,解释了如何从嗅球的活性中计算出对气味的吸引和排斥。他们的模型表明,每一个肾小球以特定的重量有助于吸引或厌恶。总结所有肾小球的转化活动和加权活动,不仅符合对用于制作模型的气味的真实行为响应,而且还可以准确预测对新气味的响应。Kazama指出,与该领域的普遍假设相反,结果表明该计算不依赖于肾小球的一小部分,而是可能需要其中的大部分(如果不是全部的话)。

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