我们令人难以置信的嗅觉

你可能会说大脑是我们最上镜的器官。多亏了现代神经成像技术，我们生活在大脑数据爆炸的环境中。试想一下：我们可以将大脑的连通性放大到最微小的分子水平。我们可以追踪单个细胞，也可以追踪整个细胞群体。我们可以像电灯开关一样开启和关闭神经元。我们甚至可以通过基因工程的方式通过动物的记忆痕迹来玩弄它的行为。然而，即使有了这些能力，大脑最终的工作方式仍然让我们摸不着头脑。一些神经学家倾向于将此视为该领域的生存危机。

尽管如此，我不会说神经科学处于危机之中。之所以看起来是这样，只是因为太多的神经科学专注于从几个宠爱的系统中衍生出的最受欢迎的理论。毫不夸张地说，这限制了该领域的前景。以视觉的范例为例。20世纪的大部分大脑研究都建立在我们对如何看待事物的理解之上。这不是意外。

视觉系统的迷人之处在于它对逻辑的明显展示。视觉系统给了我们大脑中专门的区域，这些区域创建和处理我们对特定感觉特征的感知。包括方向、运动、形状和颜色。这几乎就像你可以将物理世界映射到离散有序的神经元结构上。1这一脑图原理在其他感官中也被发现，包括试听。音调频率在听觉皮层排成一列，类似于钢琴的按键。

也许这一特征现在被证明是大脑功能一般理论的一个缺陷。将其他生理和心理功能(如内感、奖励和动机或意识意识)映射到离散的神经结构上的困难在于，与视觉不同的是，并非所有这些活动都默认代表空间结构。相反，它们可能代表了一种将有机体的体质与来自世界的波动信息联系起来的关系衡量标准。

毫无疑问，映射是许多感觉和认知系统的显著特征。然而，它可能只是众多物质表达中的一种，而不是大脑组织神经活动的最终原则。如果我们扩展我们的理论，把大脑中不太受欢迎的部分也包括在内，会怎么样？

正如我在我的新书“Smellosophy：鼻子告诉大脑的东西”中所说的那样，一个显而易见的选择是嗅觉。我们的嗅觉对视觉中的映射范式提出了一个耐人寻味的挑战。鼻子是为测量我们环境中不可预测的化学阵列而量身定做的，允许大脑评估微小的分子痕迹何时改变了行为意义，以发出愉悦、危险或新奇的信号。

拉蒙·伊·卡哈尔(Ramón y Cajal)是神经科学的奠基人之一，他在20世纪初首次认识到这一点，当时他将嗅觉作为学习大脑如何理解世界的典范模型引起了人们的注意。尽管在卡哈尔的时代，对于大多数科学家来说，嗅觉看起来是一种反复无常、古怪的感觉，没有太多复杂的东西-因此对认知及其生物学基础的研究几乎没有兴趣-但卡哈尔相信，理解气味可以让我们更好地洞察其他感觉系统。

其原因与嗅觉系统特有的一个有趣特征有关。也就是说，只需要两个突触，信息就会从空中通过你的鼻子，到达大脑深处的核心皮质。客观地说：两个突触不会让你离开视觉系统中的视网膜。你再也找不到比这更直接的方式让大脑接触到这个世界了！

这种对世界的接近并不意味着我们的嗅觉是简单的。气味的复杂程度令人难以置信。你周围环境的化学成分--我们说的是成百上千个分子--正在不断和迅速地变化。你的鼻子接收挥发性的空气传播的化合物，这些化合物与你的嗅觉感受器(位于鼻上皮感觉神经元的纤毛上)以组合的方式相互作用。这意味着不同的受体检测不同分子的不同部分，一个分子通过不同的特征与不同的受体相互作用。嗅觉系统的功能不是在空间中离散地绘制化学物质地图。取而代之的是，它跟踪和计算不断变化的化学环境的统计数据：有多少化学物质以分子云的形式共同出现，在什么浓度下，以及多久出现一次？(我们的鼻子可以检测不同化学物质的混合，例如，咖啡的香气由800种不同的化合物组成。)。简单地考虑一下这个系统令人难以置信的能力：如果你计算嗅觉中所有可能的结构-受体相互作用的组合(假设有一个分子激活100个受体)，你最终得到的数字会高于银河系中的原子。

直到20世纪末，神经科学家才采纳了卡哈尔的建议。3对此有一定的实用主义。臭名昭著的气味一直很难调查。正如许多人可以亲自证明的那样，对气味的体验天生就是多变的。东西闻起来可能不同，不仅在不同的人之间，而且对同一个人来说也是如此。

例如，当你品尝一杯红酒时，你可能会享受它主要的樱桃香味-直到有人在同一杯酒中评论到强烈的香草味道。突然间，樱桃移到了你有意识意识的后座，而香草的香味突然出现在焦点上--尽管你以前没有注意到这一点。如何将这种短暂的、短暂的气味变成可测量的、稳定的、可比较的科学研究对象？

琳达·巴克(Linda Buck)和理查德·阿克塞尔(Richard Axel)通过发现嗅觉感受器，让科学家们走上了回答这个问题的道路。嗅觉受体碰巧是哺乳动物基因组中最大的多基因蛋白质受体家族(即所谓的G蛋白偶联受体-简称GPCRs)中结构最多样化、规模最大的成员。它们惊人的多样性和绝对的大小-嗅觉受体基因比免疫系统拥有更多的“遗传存储”，约占哺乳动物基因组的4%-引起了对基因重组机制和生物过程进化多样化感兴趣的科学家的注意。一些生物实体，如蛋白质，是如何进化来促进各种功能的呢？GPCRs的超家族协调了许多基本的生物学过程，包括视觉、大脑中神经递质的检测和免疫反应的调节。

这些受体被证明是一座遗传金矿，与其他在嗅觉系统组织方面的工作一起，巴克和阿克塞尔获得了2004年诺贝尔生理学或医学奖。嗅觉，长期以来一直是感官上的灰姑娘，被推到了科学主流的聚光灯下。因此，气味成为一种很有前途的分子模型，可以用来研究GPCRs-大约一半的药物研究的目标-以及控制它们功能相互作用的因果原理。

例如，这些蛋白质的调谐范围有多广？是否某些受体比其他受体对更广泛的分子特征有反应，这是否暗示了遗传差异？受体之间的遗传差异是如何与大脑的连接联系在一起的(受体遗传学是嗅觉系统神经发育的基本驱动力)？更重要的是，什么样的分子特征组合可能会阻碍甚至增强这些蛋白质的反应？这些蛋白质如何执行各种各样的功能仍然是一个正在进行的发现。

最近一个星期六的早晨，我和妻子苏珊溜进城里参观了大都会艺术博物馆(Metropolitan Museum Of Art)，在我们的儿子出生之前，我们就没有一起去过这个地方。人群还没有下来，为了……。多读。

由于只有两个突触直接进入大脑皮层，对嗅觉大脑的全面了解似乎迫在眉睫。然而，嗅觉系统表面上的简单性很快被证明是具有欺骗性的。今天，在受体发现三十年后的今天，气味感知的机制仍然让研究人员感到困惑。我们并没有接近完全理解，而只是开始欣赏大脑对气味的理解所隐藏的复杂性。

神经学家错误地依赖视觉来指导大脑如何运作。以地图的方式排列气味听起来可能是不可能的。茉莉花的味道在这边，香菜的香味在那边？但这种方法很快就暴露了它的局限性。你会通过什么特征来映射神经空间中潜在的超过1万亿种气味化学物质？比方说，酮是放在醛旁边，还是更靠近酯？还有，你把吲哚放在哪里呢？吲哚是一种在煤焦油和粪便中发现的难闻的结晶有机化合物。

最近对嗅觉系统的研究表明，这种以视觉系统为灵感的设计是错误的。嗅觉皮层并不像其他感觉皮层那样以逻辑空间的方式组织起来。你面对的不是地图，而是看似随机和复杂的信号马赛克。与颜色、视觉和声音相比，嗅觉中的刺激是多维的，而不是低维的。颜色知觉是基于光的电磁波的可见光谱，听觉知觉是基于空气压力波的频率，这种频率可以线性映射到神经相关。但气味质量与结构高度多样化的化学物质有关。这些化学物质大约有5000种分子特征，与气味质量没有任何直接的联系，嗅觉感受器(人类大约有400种)通过嗅觉感受器来识别它们。

人类大脑应该如何利用神经空间来组织这些过多的非空间化学信息，到目前为止还没有解决。在某种程度上，你的大脑是如何处理复杂的气味化学的，这更像是在做数学计算，而不是绘制地图。

回忆一下受体的组合编码能力。气味是从广泛分布的信号拼接中计算出来的：大脑所有的“看到”(没有更好的术语)就是哪些感受器被点亮，有多少个，持续多长时间，以什么组合和比例。大约有400种受体参与5000个分子参数的组合编码，这被证明是一项相当复杂的任务。

我们必须问的真正问题是：什么样的感觉信息是通过嗅觉系统提取和解释的，这些信息可以与神经关联联系起来？嗅觉在“野外”遭遇的特点(除了实验室中对简单刺激的离散管理之外)在于其环境中的化学刺激及其与感官界面的相互作用的内在不可预测性。这一点对我们对大脑是如何工作的总体理解有一定的影响。

嗅觉系统不需要地图来反映世界上某些固定的物理特征，因为它的化学刺激是不断变化的。大脑依靠记忆识别嗅觉刺激化学成分的模式。这是嗅觉系统突出新颖性的一种方式，这意味着将未知的(和潜在的行为相关的)化合物引入到一个原本不变的环境中。模式识别中的新颖性检测原理也同样适用于其他不能严格映射的感觉系统。考虑一下相互感觉系统，它调节生物体内的过程，比如心率到荷尔蒙的变化。

换句话说，关注大脑的特性可能是有洞察力的，而不是适得其反。这些特质，就像气味的奇怪复杂性和多变性一样，现在被证明对理解大脑至关重要-它是如何在快速变化的分子组合的景观中操纵有机体的。这背后的过程是高度动态的，在回答如何选择、选择什么以及何时选择方面非常迅速。大脑不仅仅是一个投影屏。它基本上是一种模式识别设备。跟踪不断变化的环境的化学统计数据需要一个简单的解决方案来解决一个复杂的问题-过度专业化的地图在这里甚至可能是不利的。毕竟，我们的大脑是从我们的身体进化而来的，而不是反过来。

安-索菲·巴维奇是一位认知科学家和经验哲学家。她是“Smellosophy：鼻子告诉心灵什么”一书的作者。在Twitter@smellosopher上关注她。

1.托斯滕·威塞尔(Torsten Wisel)和大卫·胡贝尔(David Hubel)在猫的视觉皮层上进行的一系列突破性实验，巩固了感觉系统中大脑功能映射方法的解释至高无上的地位。胡贝尔和威塞尔的想法来自对运动系统的先前研究--1937年怀尔德·彭菲尔德(Wilder Penfield)的“小人”(用皮质面上马达带的特定区域代表你身体的特定部位)，以及1957年弗农·芒特卡斯尔(Vernon Mount TCastle)发现的皮质柱(相邻的皮层细胞对类似的输入做出反应)。

2.Y Cajal，R.Croonia讲座：La Fine Structure des Centres nerveux。伦敦皇家学会论文集55,444-468(1894)。

3.例外，如埃德加·艾德里安(Edgar Adrian)在20世纪40年代和戈登·谢泼德(Gordon Shepherd)在70年代证明了这一规则。