通过激活脑细胞产生的合成气味有助于神经科学家了解气味是如何起作用的

当你用感官体验某事时，它会在你的大脑中唤起复杂的活动模式。神经科学的一个重要目标是破译这些神经模式如何驱动感官体验。

例如，可以气味巧克力代表的是一个脑细胞，一群细胞同时发出信号，还是细胞以精确的交响乐发出信号?这些问题的答案将使我们更广泛地理解大脑是如何表征外部世界的。它们还可以用于治疗大脑无法表征外部世界的疾病，例如视力和嗅觉的丧失。

为了理解大脑如何驱动感官体验，我和我的同事专注于老鼠的嗅觉。我们直接控制老鼠的神经活动，产生“合成气味”在它大脑的嗅觉部分，以了解更多关于如何嗅觉的工作原理。

我们最新的实验发现，气味是由大脑中非常特定的活动模式所代表的。就像旋律中的音符一样，这些细胞以独特的顺序和特定的时间发射，以代表闻到一种独特气味的感觉。

由光线投射产生的气味

用老鼠来研究气味对研究人员很有吸引力，因为相关的大脑回路已经被绘制出来现代工具使我们能够直接操纵这些大脑连接。

我们使用的老鼠是经过基因工程改造的，因此我们只需将特定波长的光照射到它们身上，就可以激活单个脑细胞一种被称为光遗传学的技术．光遗传学的早期应用涉及通过植入的光纤传递光，让研究人员控制脑细胞的粗糙斑块。最近光遗传学的应用允许更复杂的控制的精确的大脑活动模式．

在我们的研究中，我们将光模式投射到大脑表面，目标是一个被称为嗅球的区域。之前的研究发现，当老鼠嗅出不同的气味时，嗅球中的细胞似乎会以一种有图案的交响乐的方式放电针对每种不同的气味形成独特的图案．

当我们在老鼠的嗅球上照射光线图案时，它产生了相应的细胞活动模式。我们称这些模式为“合成气味”。与老鼠嗅闻真实气味所触发的活动模式不同，我们直接触发了神经活动一种“合成气味”和我们的光线投射。

接下来，我们训练每只老鼠识别随机产生的合成气味。由于它们无法用语言向我们描述它们所感知到的东西，所以如果每只老鼠在闻到指定的气味时舔了一口喷水口，我们就会给它水作为奖励。经过几周的训练，老鼠学会了当它们指定的气味被激活时舔，而对其他随机生成的合成气味不舔。

我们不能肯定地说这些合成气味与世界上任何已知的气味相对应，我们也不知道它们对老鼠来说是什么味道。但我们确实校准了我们的合成模式，使其与实际气味存在时观察到的嗅球模式大致相似。此外，老鼠学会辨别合成气味的速度和辨别真实气味的速度一样快。

调整合成气味的模式

一旦每只老鼠学会了识别分配给它们的合成气味，我们就会测量它们在修改分配给它们的气味时仍然舔了多少。在每种合成模式中，我们改变了哪些细胞被激活或何时被激活。

想象一下，拿一首熟悉的歌曲，改变歌曲中的每个音符，然后问你在每次改变后是否还能认出这首歌。通过测试许多不同的变化，人们最终可以了解哪些音符的精确构成对歌曲的身份至关重要，哪些调整极端到足以让歌曲无法识别。

同样地，当我们修改小鼠投射的光线模式时，通过测量小鼠如何改变舔食方式，我们能够了解模式中哪些细胞组合对于识别合成气味是重要的。

激活细胞的精确组合是至关重要的。但同样重要的是，当它们以有序的顺序被激活时，类似于旋律中的定时音符。例如，改变序列中细胞的顺序将使气味无法识别。

结果表明，序列中较早被激活的细胞对识别更重要——在模式中较晚改变序列似乎影响微不足道。

识别的变化是分级的，而且不是剧烈的:当我们改变模式的一小部分时，气味并没有变得完全无法识别。事实上，气味被识别的程度与图案变化的程度成正比。这意味着，如果我稍微改变代表橙子的大脑活动，你仍然会闻到类似的味道——可能会认出它是柑橘或水果味。

因此，尽管大脑拥有巨大的能力，可以在细胞活动的独特时间序列中存储许多不同的气味，但你仍然可以通过它们模式的相似性来识别相似的气味:即使在咖啡中添加了一点香草，咖啡的味道仍然可以清晰地识别出来。

这项研究的下一步是将合成方法应用于真实的气味。要做到这一点，我们需要记录大脑对真实气味的反应，然后重新激活同样的气味细胞使用光遗传学。真实物体在大脑中的合成再创造是当前研究的热点多个实验室包括我们的．

解决这个问题是令人兴奋的，因为它不仅为理解大脑如何工作提供了可能性，而且为开发大脑提供了可能性大脑植入物可能有一天会恢复失去的感官体验。

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