eLife:大脑如何区分气味的好与坏?

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气味是令人愉悦的还是让人恶心的,这不仅仅是一个口味的问题。通常,一个生物体的生存,取决于它能否做出这样的辨别,因为气味可以提供关于食物来源、产卵地或合适伴侣的重要信息。然而,气味源也可能是致命危险的迹象。

最近,德国马克斯普朗克化学生态学研究所的科学家发现,在果蝇中,气味的质量和强度可被定位在所谓的侧角(lateral horn)。他们创建了果蝇大脑中这部分嗅觉处理系统的空间图,表明侧角可以分为三个活性区域,其中每一个区域代表一种气味类别。这些气味类别包括,好与坏,强与弱。这些分类对于果蝇的行为有着直接的影响,从而表明侧角的功能类似于脊椎动物大脑中的杏仁核。杏仁核在感觉印象和危险的评估中起着至关重要的作用,侧角也可能如此。相关研究结果发表在最近的《eLife》杂志。

为了生存,生物体必须能够感觉自己所处环境的信息,相应地调整自己的行为。动物用自己的感官――如视觉和嗅觉,来感知周围的视觉线索或气味,并处理和评估通过这些感觉发送到大脑的信息。它们必须能辨别气味的好与坏。当动物寻找食物或交配对象时,好气味是重要的信号。雌性昆虫也用嗅觉信号,来选择一个好的产卵地点。另一方面,难闻的气味可以指示危险,例如腐烂和有毒的食物。

现代的功能成像方法表明,这些感官知觉会在大脑产生一定的反应模式:根据处理后的信息,特定的大脑区域被激活。如果一种气味被评为令人愉快或令人厌恶,这种分类方法被称为“享乐价”。果蝇研究显示,气味的特点,可以根据享乐价的规模进行表征,气味强度可唤起大脑一个更高区域(即侧角)的活性。根据气味被分类为好还是坏、强还是弱,大脑的活动在侧角的空间隔离区是明显可见的。

BMBF Research Group 负责人Silke Sachse总结道:“我们惊奇地发现,侧角――像触角神经叶(即昆虫的嗅球)一样大的脑区,可以被分成仅仅三个活动区域,而触角叶由大约50个功能单元组成。我们的研究结果表明,高级脑代表气味的类别,即好与坏的气味,而不是一种气味的特性,这表现在一个较低的加工阶段,例如天线和触角叶。”

像许多其他感官网络一样,果蝇的嗅觉回路包括到高级脑(包含兴奋性和抑制性投射神经元)的空间不同的通路。投射神经元是把感觉信号传送给神经系统其他区域的神经细胞。值得注意的是,在这项研究中检测到的抑制性投射,把来自触角神经叶(第一个处理中心)的嗅觉信息,只传送到侧角,并绕开蕈形体――学习和记忆的中心。抑制性投射神经元可以被细分为两种形态:第一种处理关于一种气味是有吸引力还是令人厌恶的信息,第二种处理关于气味强度的信息。为了测试这些神经元的功能,科学家们研究了一种果蝇,它们的这些神经元被沉默。

Silke Sachse解释说:“有趣的是,我们观察到,果蝇没有表现出被任何气味所吸引,但是突然避开了高吸引力的气味,如醋。因此,我们推论,抑制性投射神经元,可介导气味的吸引力,从而使果蝇能够发现其食物源或产卵场所。”此外,科学家们能够识别侧角的高阶神经元,也就是说,专门代表厌恶气味的神经元。这些神经元通过突触与抑制性投射神经元进行交流。

研究人员认为,在果蝇中侧角的功能可以比作脊椎动物大脑中杏仁核(两个杏仁形的核)的作用。在人类中,杏仁核在形势的情感评价和风险评估中起着重要的作用。如果大脑杏仁核受损,人类就不会表现出恐惧或侵略性。然而,杏仁核的病变也能防止重要的飞行或防御反应被触发。科学家们推测,侧角的损伤可能对果蝇有类似的影响。然而,这个假设到目前为止还是推测性的,因为侧角不能被选择性地灭活。

在他们的研究中,马克斯普朗克研究人员将侧角确定为气味信息的处理中心,这些气味信息可触发先天的气味引导行为。好气味和坏气味是在不同侧角区进行空间解码。我们还需要进一步的实验来探究,这些空间地图最终如何转化为昆虫的行动决定。目前,科学家们正在确定侧角中的高阶神经元,以完成从外围一直到大脑中心(在那里正在发生的决定,可引起目的性的气味引导行为)的嗅觉环路。

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