嗅覺有能力讓人們“跨越時間和空間”。它可能是茉莉花的清新香味，也可能是海藻的發霉氣味。突然間，它使你回想起你童年的家，或者在遙遠海岸的烈日下的場景。這種氣味和地點之間的聯繫似乎是人類認知的一個深層次的方面。但是這兩者在大腦中是如何聯繫的呢？12月22日發表在科學雜誌《自然》上的一項研究提出了一個潛在的解釋。
嗅覺和空間之間的神經聯繫
“氣味分子本身並不攜帶空間信息。然而，野生動物利用氣味進行空間導航和記憶，這使它們能夠找到寶貴的資源，如食物，”該研究的第一作者Cindy Poo說。“我們想了解這些行為的神經基礎，因此我們決定研究大腦如何結合嗅覺和空間信息。”
研究人員把重點放在初級嗅覺皮層上。“嗅覺系統在感官中是獨一無二的，”該研究的高級作者，葡萄牙Champalimaud未知中心的主要研究人員Zachary Mainen說。“只有嗅覺與海馬系統有直接的相互聯繫，而海馬系統參與了記憶和導航。”
海馬神經元以作為“位置細胞”的功能而聞名。這是因為每個細胞在環境中的一個特定位置變得活躍。這些神經元一起對整個區域進行“編碼”，有效地創造了一個空間的神經地圖。發現大腦定位系統細胞導致了科學家們在2014年的諾貝爾生理學或醫學獎，它是如此可靠，以至於科學家可以僅僅通過觀察它們的活動就能知道動物在哪裡。
“我們知道，海馬系統向初級嗅覺皮層發送信號，”Poo說。“因此，我們懷疑這個大腦區域可能不僅僅是識別不同的氣味。”
對嗅覺神經元進行測試
為了測試這個想法，研究人員為大鼠開發了一個定製的迷宮，大鼠非常善於利用嗅覺。大鼠在一個正方形迷宮的四端取樣聞到氣味。然後，根據氣味的不同，它們必須找出獎勵藏在哪裡。Poo解釋說：“在這項任務中，大鼠必須學習並記住氣味和位置的確切關聯。”
在動物們解開謎題的同時，研究人員監測了初級嗅覺皮層中被稱為後皮層的一部分神經元的活動。“神經元通過發射電脈衝相互交流，”Mainen解釋說。“通過記錄該腦區數百個單獨的神經元發出的電信號，我們能夠解碼特定神經元所關心的內容。例如，當動物聞到一種特定的氣味時，或者當它在迷宮中的某個位置時，它們是否變得活躍。”
“我們的結果超出了我們的預期，”Poo說。“我們曾預測，這裡的一些神經元可能在一定程度上關心位置。然而，通過仔細研究動物在迷宮中導航時嗅覺皮層神經元的活動，我們發現這些神經元已經學會了整個環境的地圖。”
嗅覺神經元編碼空間地圖
研究人員發現了一大群神經元，它們與海馬“位置細胞”相似，在迷宮中的一個特定位置變得活躍。有趣的是，該地圖並沒有平等地覆蓋整個環境。相反，它在很大程度上被限制在迷宮中具有行為意義的位置：動物體驗氣味和獲得獎勵的地方。
“看來，重要的地點是通過經驗學習並編碼成地圖的。值得注意的是，當沒有氣味出現時，嗅覺系統中的這些細胞開始在一個特定的位置作出反應，甚至當大鼠只是走動而不參與任務時也是如此。”
空間的氣味
這就是我們形成將某些氣味與特定地點聯繫起來的記憶的方式嗎？“我們發現這裡的一些神經元對氣味有反應，另一些神經元對位置有反應，還有一些神經元在不同程度上對兩種信息都有反應。所有這些不同的神經元都混雜在一起，而且很可能是相互關聯的。因此，人們可以推測，激活嗅覺-空間關聯可以通過這個網絡內的活動發生，”Poo建議。
“這項研究還為了解感官如何被用於導航和記憶打開了一扇新的窗口，”Mainen補充說。他總結說：“人類對視覺地標的依賴程度高於氣味，但我們如何記住我們去過的地方和到達我們要去的地方，其原理可能非常相似。”