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3D视频显示鼻子如何检测气味组合

纽约-每一刻我们都被气味所包围。气味可以带回记忆,或迅速警告我们食物变质了。但是我们的大脑如何识别这么多不同的气味?而且,我们如何轻松地解开混合气味的成分?在今天发表在《科学》杂志上的一项关于老鼠的新研究中,哥伦比亚科学家朝着回答这些问题迈出了重要的一步,而秘密就在鼻子内部。

“从垃圾到科隆,我们每天遇到的气味包含成百上千种个体气味,”哥伦比亚大学生物科学教授,当今研究的共同作者斯图尔特·费尔斯坦博士说。“您的一杯早晨咖啡可以包含800多种不同类型的气味分子。尽管人们已经做了很多工作来了解鼻子和大脑如何共同识别各种气味,但是科学家们长期以来一直在努力解释这种系统在多种气味发生时的工作原理混合在一起。”

Columbia团队使用称为SCAPE显微镜的尖端3D成像方法,监视了小鼠鼻子中成千上万个不同细胞对不同气味以及这些气味的混合物的反应。他们发现,鼻子向大脑发送的有关混合气味的信息不仅仅是其各个部分的总和。

鼻子中检测气味的细胞分别具有多种不同的传感器或感受器之一;例如,人类具有多达400种不同类型的这些受体。对于纯净的单一气味,只有其受体对该气味敏感的细胞才会活跃,从而向大脑发送一个可以识别为该气味的代码。但是对于更复杂的气味混合物,此代码将变得越来越复杂。

研究人员期望看到由异味混合物激活的细胞相当于将对单个异味的反应加在一起。实际上,他们发现,在某些情况下,气味实际上可以关闭细胞对混合物中另一种气味的反应。在其他情况下,第一种气味可能会放大细胞对第二种气味的反应。

尽管我们经常感觉到一种气味占主导,但以前认为这种处理发生在大脑中。这些结果表明,鼻子内部的这些相互作用会影响发送到大脑的信号。

研究小组的数据挑战了传统观点,即大脑通过弄清所有单个成分来理解混合气味。它证实了调香师早已知道的:将不同的香气结合在一起可以自己创造出一定的体验,从本质上说,它成为一种可以提供完全不同的体验的全新香气。

Firestein实验室的博士候选人,今天的研究的第一作者,作者陆旭说:“我们很高兴发现代码中的这些变化发生在鼻子甚至还没有到达大脑之前。”“我们认为这些影响可以帮助我们检测和识别比简单的附加法规所能传达的范围更大的气味和混合物。”

为了揭示嗅觉系统的这些内部工作原理,研究人员利用了SCAPE显微镜的强大功能,这种技术是由扎克曼研究所的首席研究员,今日《科学》杂志的共同资深作者伊丽莎白·希尔曼(Elizabeth Hillman)博士开发的。SCAPE显微镜可实时创建活组织的高速3D图像。它来回扫描成角度的光线,以创建活动中的活细胞和组织的高速3D电影。

Firestein和Hillman实验室对SCAPE进行了定制,以照亮并查看小鼠鼻子中的组织。研究人员检查了动物鼻子内的神经元细胞,这些细胞被荧光标记,当这些细胞被激活时在显微镜下会闪烁。然后,他们将动物的鼻组织暴露于一系列不同的气味组合中:一种带有木质花束,另一种则包含杏仁,花香和柑橘气味的混合物。

“ SCAPE使我们能够在很长一段时间内同时分析成千上万个单个细胞中任何一个的活性,” Hillman实验室的博士后研究科学家,论文的第一作者,作者Wenwen Li博士说。“使用常规显微镜,我们只能在短时间内对薄层中的数百个细胞进行成像。SCAPE可以对完整的3D鼻腔结构中的更多细胞进行成像,而不会损坏组织。这使我们能够追踪每个细胞的反应随着时间的流逝会出现一系列不同的气味组合。

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