嗅觉有能力让人们“跨越时间和空间”。它可能是茉莉花的清新香味，也可能是海藻的发霉气味。突然间，它使你回想起你童年的家，或者在遥远海岸的烈日下的场景。这种气味和地点之间的联系似乎是人类认知的一个深层次的方面。但是这两者在大脑中是如何联系的呢？12月22日发表在科学杂志《自然》上的一项研究提出了一个潜在的解释。
嗅觉和空间之间的神经联系
“气味分子本身并不携带空间信息。然而，野生动物利用气味进行空间导航和记忆，这使它们能够找到宝贵的资源，如食物，”该研究的第一作者Cindy Poo说。“我们想了解这些行为的神经基础，因此我们决定研究大脑如何结合嗅觉和空间信息。”
研究人员把重点放在初级嗅觉皮层上。“嗅觉系统在感官中是独一无二的，”该研究的高级作者，葡萄牙Champalimaud未知中心的主要研究人员Zachary Mainen说。“只有嗅觉与海马系统有直接的相互联系，而海马系统参与了记忆和导航。”
海马神经元以作为“位置细胞”的功能而闻名。这是因为每个细胞在环境中的一个特定位置变得活跃。这些神经元一起对整个区域进行“编码”，有效地创造了一个空间的神经地图。发现大脑定位系统细胞导致了科学家们在2014年的诺贝尔生理学或医学奖，它是如此可靠，以至于科学家可以仅仅通过观察它们的活动就能知道动物在哪里。
“我们知道，海马系统向初级嗅觉皮层发送信号，”Poo说。“因此，我们怀疑这个大脑区域可能不仅仅是识别不同的气味。”
对嗅觉神经元进行测试
为了测试这个想法，研究人员为大鼠开发了一个定制的迷宫，大鼠非常善于利用嗅觉。大鼠在一个正方形迷宫的四端取样闻到气味。然后，根据气味的不同，它们必须找出奖励藏在哪里。Poo解释说：“在这项任务中，大鼠必须学习并记住气味和位置的确切关联。”
在动物们解开谜题的同时，研究人员监测了初级嗅觉皮层中被称为后皮层的一部分神经元的活动。“神经元通过发射电脉冲相互交流，”Mainen解释说。“通过记录该脑区数百个单独的神经元发出的电信号，我们能够解码特定神经元所关心的内容。例如，当动物闻到一种特定的气味时，或者当它在迷宫中的某个位置时，它们是否变得活跃。”
“我们的结果超出了我们的预期，”Poo说。“我们曾预测，这里的一些神经元可能在一定程度上关心位置。然而，通过仔细研究动物在迷宫中导航时嗅觉皮层神经元的活动，我们发现这些神经元已经学会了整个环境的地图。”
嗅觉神经元编码空间地图
研究人员发现了一大群神经元，它们与海马“位置细胞”相似，在迷宫中的一个特定位置变得活跃。有趣的是，该地图并没有平等地覆盖整个环境。相反，它在很大程度上被限制在迷宫中具有行为意义的位置：动物体验气味和获得奖励的地方。
“看来，重要的地点是通过经验学习并编码成地图的。值得注意的是，当没有气味出现时，嗅觉系统中的这些细胞开始在一个特定的位置作出反应，甚至当大鼠只是走动而不参与任务时也是如此。”
空间的气味
这就是我们形成将某些气味与特定地点联系起来的记忆的方式吗？“我们发现这里的一些神经元对气味有反应，另一些神经元对位置有反应，还有一些神经元在不同程度上对两种信息都有反应。所有这些不同的神经元都混杂在一起，而且很可能是相互关联的。因此，人们可以推测，激活嗅觉-空间关联可以通过这个网络内的活动发生，”Poo建议。
“这项研究还为了解感官如何被用于导航和记忆打开了一扇新的窗口，”Mainen补充说。他总结说：“人类对视觉地标的依赖程度高于气味，但我们如何记住我们去过的地方和到达我们要去的地方，其原理可能非常相似。”