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技術(shù)文章

記憶是有味道的，為何氣味會激發(fā)強烈的情感記憶？

近日，來自東京大學(xué)的研究團隊在The Proceedings of the National Academy of Sciences（PNAS）上發(fā)表了一篇題為“Spatiotemporal dynamics of odor representations in the human brain revealed by EEG decoding”的研究（圖1）。為了研究嗅覺感知如何在人腦的空間和時間中出現(xiàn)，研究人員對腦電圖的10種不同感知氣味的反應(yīng)進行了時間分辨多變量模式分析，并將由此產(chǎn)生的解碼精度與感知和源活動相關(guān)聯(lián)。

 

圖1 研究成果（圖源：[1]）

 

研究人員通過一種特制的氣味傳遞裝置收集數(shù)據(jù)，并基于機器學(xué)習(xí)的頭皮腦電圖分析大腦處**味的方式。這種特制的氣味傳遞裝置可以準(zhǔn)確及時地傳遞10種不同的氣味。通過佩戴非侵入性頭皮記錄腦電圖帽后，評估受試者的愉快程度并記錄大腦內(nèi)部的信號。接下來，該團隊基于機器學(xué)習(xí)的計算機分析來處理相關(guān)數(shù)據(jù)，以高時間分辨率查看大腦中處**味范圍的時間和地點。
研究發(fā)現(xiàn)：
■ 大腦中的氣味信息在處理的早期階段與感知無關(guān)，但當(dāng)感知發(fā)生后，難聞的氣味比令人愉快的氣味處理得更快；
■ 氣味感知問題可能是神經(jīng)退行性**的早期癥狀，因此揭示更多氣味感知的神經(jīng)基礎(chǔ)可能有助于將來更好地了解這些**。
 

嗅覺*易感知的

是令人愉悅的氣味

 

人腦通過區(qū)域內(nèi)和跨區(qū)域的動態(tài)計算將感覺輸入迅速轉(zhuǎn)化為感知。例如，在視覺系統(tǒng)中，已經(jīng)證明低級視覺特征的神經(jīng)表示向感知的轉(zhuǎn)換發(fā)生在圖像呈現(xiàn)后的幾百毫秒內(nèi)，在此期間大腦區(qū)域的不同組合暫時或持久地展現(xiàn)信息。生理感覺方面出現(xiàn)味覺刺激被迅速激活（包括初級味覺區(qū)域在內(nèi)的多個皮層區(qū)域），同時出現(xiàn)個人味覺的神經(jīng)表征。然而，嗅覺具有與其他感官不同的多種感知和神經(jīng)特征。與視覺刺激不同，單獨的氣味很少形成可辨別的物體，而嗅覺感知*突出的方面是令人愉悅的氣味。而且氣味仍然能喚起除愉悅感之外的多種感知，例如果味和花香感知。

 

目前的研究中，研究人員基于頭皮記錄測試的10種具有不同感知質(zhì)量的氣味源活動，調(diào)查了人腦中氣味表征的時空出現(xiàn)（圖2）。使用時間分辨表征分析在傳感器和源級別評估感知和大腦活動之間的表征相似性（圖3），研究人員確定了氣味信息在嗅覺處理過程中的時間和地點（圖4）。研究人員為了捕捉所呈現(xiàn)氣味的感知特征使用了大量的語言描述符，并將評級質(zhì)量視為整個嗅覺感知空間中感知結(jié)構(gòu)的度量，包括從不愉快到愉快的愉快范圍，這是*嗅覺感知的顯著維度。此外，研究人員還獲得了單極愉快（中性到愉快）和不愉快（中性到不愉快）的感知評級，并分別評估了這些方面的神經(jīng)表征。通過這種方式，檢查了嗅覺感知的神經(jīng)表征何時何地出現(xiàn)，以及它們在感知的不同方面有何不同。

 

圖2 人腦中氣味表征的時空出現(xiàn)實驗（圖源：[1]）
 
圖3 氣味信息表示的時間動態(tài)（圖源：[1]）
 
圖4 大腦中氣味表征的時空演化（圖源：[1]）
綜上表明，個體氣味的神經(jīng)表征在350毫秒時*大程度地分離。感知表征出現(xiàn)在解碼峰值之后：從300毫秒開始的單極不愉快（中性到不愉快），氣味開始后500毫秒，所有這些感知表征在600毫秒后達到*大值。根據(jù)解碼精度計算，在氣味開始后100到350毫秒時位于初級和次級嗅覺區(qū)域及其周圍。氣味表征隨后擴展到與情緒、語義和記憶處理相關(guān)的更大區(qū)域，這些后期區(qū)域的活動與感知顯著相關(guān)。

大腦對難聞氣味的早期感知

是針對潛在**危險的預(yù)警

 
在當(dāng)前的研究中，我們在判斷之前評估的神經(jīng)處理階段。測量神經(jīng)和行為延遲的未來研究將導(dǎo)致對嗅覺感知如何展開的更深入了解。當(dāng)在更自然的條件下研究嗅覺加工時，也可以應(yīng)用這種方法，例如，氣味帶有上下文線索，如氣味來源的知識，這可能會改變嗅覺加工的時間順序。
大腦對氣味的檢測發(fā)生在參與者有意識地感知氣味之前，直到幾百毫秒后才發(fā)生。“我們的研究表明，感知的不同方面，特別是宜人的氣味是通過不同的空間和時間皮層處理出現(xiàn)的，”研究主導(dǎo)人加藤教授說道。
“大腦比感知更早判斷出不愉快的味道。”同樣來自農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)研究生院的項目副教授Masako Okamoto解釋道(圖5) 。當(dāng)發(fā)出令人不快的氣味（如腐爛和腐臭的氣味）時，參與者的大腦*早可以在氣味出現(xiàn)的300毫秒將它們與中性或令人愉快的氣味區(qū)分開來。然而，直到500毫秒之后，大腦中才會出現(xiàn)令人愉悅的氣味（例如花香和水果氣味），這與氣味的質(zhì)量也被表征的時間差不多。從氣味開始后的600-850毫秒，大腦中與情感、語義（語言）和記憶處理相關(guān)的重要區(qū)域開始參與*多。

圖5 Masako Okamoto教授對大腦氣味判斷的解釋（圖源：[2]）
對難聞氣味的早期感知可能是針對潛在危險的預(yù)警系統(tǒng)。“每個感覺系統(tǒng)**神經(jīng)系統(tǒng)的方式在感覺模式（氣味、光、聲音、味覺、壓力和溫度）上都不同。闡明大腦嗅覺感知出現(xiàn)的時間和地點有助于我們了解嗅覺是如何產(chǎn)生的。”加藤教授說道。“我們還認為我們的研究具有更廣泛的方法學(xué)意義。例如，頭皮記錄的腦電圖可以讓我們評估早在100毫秒時間段內(nèi)的氣味表現(xiàn)。”
這種關(guān)于我們大腦如何處**味的高分辨率成像可能是未來更好地了解神經(jīng)退行性**機制的墊腳石，例如帕金森病和阿爾茨海默病，其中嗅覺功能障礙是早期預(yù)警信號。該團隊將進一步深入探索相關(guān)研究機制。加藤教授說道：“在我們的日常生活中，氣味與視覺等其他??官信息一起被感知，每種感覺都會影響另一種感覺，雖然我們在目前的研究中單獨提出了嗅覺刺激，但我們認為在更自然的條件下分析大腦活動，例如用電影呈現(xiàn)氣味，也是很重要的。”也許 Smell-O-Vision（嗅覺電視）會再次卷土重來！

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