在大脑中对感觉信息的处理涉及到一个复杂神经连接网络，具体到每一种感觉输入。人们对与大多数感官有关的神经线路有很多了解，但对嗅觉系统的深层连接仍知之甚少。Miyasaka Nobuhiko、Yoshihara和RIKEN脑科学研究所的同事与美国麻省理工学院的研究人员合作，绘制了之前不为人知的嗅觉通路，帮助解释嗅觉是如何影响行为。嗅觉的信息通过两个阶段进入大脑，首先从鼻子传到嗅觉球——大脑中的一种专门处理气味的结构，从这里开始，嗅觉信息传递到大脑的其他处理区域，在那里它与其他信息融合在一起。从鼻子到嗅球的接线图已经得到了很好的研究，但是从嗅球到更高的大脑中心的投射模式在脊椎动物中还没有被阐明，尤其是在单神经元水平上。
图1：在一个普通的参考大脑（灰色）上，从嗅球到不同的大脑区域的七个个体输出神经元（各种颜色）的三维呈现。图片：N. Miyasaka et al.
博科园-科学科普：研究小组开始构建详细的第二阶段嗅觉系统的接线图，通过可视化从斑马鱼幼虫的嗅球投射出来的神经元。研究人员利用一种技术，使每只动物的单个神经元都能被荧光标记，从而能够在显微镜下追踪单个细胞的投影，并绘制出单个神经元与大脑其他区域之间的联系(图1)。Miyasaka和他的同事识别出了五个大脑区域，它们接收来自嗅球神经元的信息，并显示出单个神经元与这些区域中的几个相连，还发现这些地区接收信息的方式不同；一些接收来自嗅球所有区域的输入，另一些来自特定区域。在一些地区，来自不同区域的嗅球是分离的，而在其他区域是混合的。研究结果表明，高级嗅觉中枢根据其在气味信息处理中的功能，提取和整合信息的方式不同。
气味信息首先以气味图的形式出现在嗅球上，代表气味分子的化学特征，更高的嗅觉中枢可能会读取气味图来创造其他形式的感觉表征，这些可以被进一步处理，导致特定的行为反应。预计这些对气味信息处理的洞察将有助于对其他感官系统和动物行为的神经回路的研究。在一项有助于解构嗅觉在大脑中是如何编码的研究中，加利福尼亚大学圣地亚哥医学院的神经科学家发现了一种神经元，它似乎可以帮助调节、放大和抑制神经对鼻腔化学感觉输入的反应。这项研究发表在《自然神经科学》(Nature Neuroscience)上，可以用于理解癫痫发作的根本原因。癫痫发作通常集中在嗅觉皮层，大脑处理嗅觉的部分。嗅觉是复杂的，涉及到许多重叠和相互关联的神经回路，嗅觉不仅仅是听觉和视觉，它是建立在过去的经验和联想上。
这是一组神经元，图片：EPFL/Human Brain Project
研究解决了一个问题，即大脑如何将这些其他回路的活动与化学感觉输入结合起来，从而对嗅觉记忆进行编码。研究结果表明，嗅觉皮层的某些神经元可以充当各种神经元输入的调谐器和音量控制。执行这一任务的细胞是大脑中分泌抑制神经递质的10%神经元之一，这些神经递质是突触释放的化学物质，可以提高神经元放电的阈值。这些抑制性神经元的功能越来越被认为对声音和视觉的感官感知至关重要。这项研究首次证明了抑制神经元在处理气味上也起着关键作用。在这项研究中，神经科学家们使用了一种叫做光遗传学的技术来抑制老鼠嗅觉皮层的抑制性神经元。然后，研究人员给这些小鼠呈现了不同的气味和强烈的气味，包括柠檬、松树和香蕉，同时记录了嗅皮层的电活动。
在没有抑制性神经元的情况下，研究人员观察到大脑活动的增加与气味的直接处理无关。这种背景脑活动的数量与气味强度无关。当这些相同的神经元被允许正常工作时，背景“嘈杂”的大脑活动就会减少，而不会扭曲气味本身的神经表征的逼真度。在信号处理术语中，抑制性神经元似乎增加了大脑活动的信噪比。还可以提高辨别不同气味的能力。如果你想知道在垃圾桶里闻香蕉皮是怎么回事，那是因为这种通过抑制而实现的微妙的神经控制。这些细胞的神经抑制也可能有助于防止与癫痫相关的嗅觉皮层过度兴奋。嗅觉皮层是大脑中最有可能经历癫痫发作的区域，处理异味的细胞很可能也能防止癫痫发作，癫痫可被重塑为这些抑制神经元功能的异常。
博科园-科学科普｜参考期刊文献 :《Nature Communications》,《Nature Neuroscience》｜研究/来自：加州大学圣地亚哥分校，RIKEN
博科园-传递宇宙科学之美
