文摘
我们周围的世界充满了气味(气味),愉快、平静、或带回记忆;其他的刺激、恐怖或恶心。你认为你能认出多少气味?你可能会惊讶地知道,人类可以识别不同odors-not成千上万的一个简单的任务来完成。那么,我们怎么做?在这篇文章中,我们将气味的嗅觉系统,看看鼻子和大脑之间的联系,看如何处理气味独特大脑中唤起反应。
教授理查德·阿克塞尔赢得了2004年诺贝尔生理学或医学奖,会同琳达·b·巴克教授对他们的发现有气味的受体和嗅觉系统的组织。
我们闻到东西怎么样?
当你看到一束鲜花或经过一个香水店,你经常精益闻到他们。你可曾想过它是什么,你闻到吗?你怎么认识的味道吗?当你闻到一朵花,你吸入分子释放的花,然后建立一个内部表示花的气味,通过发生在大脑的电活动(图1)。
- 图1 -闻的代表。
- 各种各样的化学物质(气味分子)从上升到空气释放。这些分子的鼻子,激活电子信号传输到大脑。在大脑中,多个地区的电激活。这个活动使我们能够识别一个特定的气味,玫瑰。
在我们深入闻的复杂性,让我们看看如何嗅觉系统的工作原理。气味是由分子释放的对象你闻起来(像一个橙色或玫瑰)。气味分子,被称为气味,穿过空气,进入你的鼻子。在鼻子,后侧的一部分鼻子上皮,有细胞具有特殊的分子受体。每个受体都有一个独特的形状,“喜欢”某些气味超过他人,更激活他们的存在(图2)。这些受体存在于神经细胞嗅感觉神经元(OSNs)。气味分子之间的相互作用和OSNs由OSNs翻译成电子信号,然后传送到大脑。由于这个杰出的设计,每个有气味的东西(比如beta-ionone当你闻到玫瑰,柠檬烯闻到柠檬时,或当你闻到草莓乙酸苄酯),激活一个独特的组合OSNs [1)超过一千OSN类型,这反过来会导致独特的电活动模式,使您的看法的一种特殊的气味。总之,大脑的气味的编码是基于独特的激活OSNs的子集。每个OSN激活电当其受体与特定的有气味的分子相互作用,但不与其他分子。这个电活动传播到不同地区的大脑过程和代表气味信息。
- 图2 -嗅觉感受器的鼻子。
- 在内部,后侧鼻子的一部分,称为鼻上皮,有细胞嗅感觉神经元(OSNs)叫气味受体的蛋白分子。OSNs与受体分子,漂浮在空中,与OSNs有气味的分子之间的相互作用产生一个电信号,通过神经纤维(轴突)称为嗅球的大脑区域。从那里,电活动继续其他的大脑区域(彩色圆圈),处理嗅觉信息。
识别气味受体基因
当我开始研究嗅觉系统,知道动物可以分辨极大量的不同的气味,但却不清楚。什么是很明确地暗示,大脑必须有一个机制,使动物能够识别这一庞大的气味分子的多样性。这导致了想法,必须有大量的气味受体基因代码。此外,OSNs,翻译有气味的受体,必须有一个把odorant-receptor交互变成电信号。
在我们的研究中,我们想要找到的基因代码(或支配)的本质有气味的受体。为此,我们做了三个假设简化我们的搜索:(1)应该有一个大家庭有气味的受体的基因编码;(2)有气味的受体有机制将与气味分子的相互作用转化为电信号;和(3)基因编码有气味的受体表达只有在OSNs鼻上皮。使用这些假设,我们可以有效地搜索一个家族的基因代码,在老鼠身上有气味的受体。我们孤立他们OSNs,发现一个新的基因家族在老鼠的DNA,由大约1000个不同的受体基因(2]。这是非常令人兴奋的,因为这是第一次有气味的受体基因已被确认。大约23年后,2004年,这一发现了我和我的同事琳达巴克教授诺贝尔生理学或医学(3]。
识别气味受体基因后,我们就可以使用成熟的技术(包括分子遗传学和神经成像)要求更复杂的问题的组织和活动OSNs在鼻子和大脑。例如,每个OSN多少受体基因的表达吗?每个OSN只包含一种类型的有气味的受体或多个类型的受体?这两种可能性意味着两个完全不同的嗅觉系统的结构和功能机制。结果,第一种可能性是正确的:每个OSN表示只有1的约1000可能的受体基因。
嗅感觉神经元的组织
现在让我们看看如何OSNs组织在鼻子和大脑,气味识别发生的地方。在小鼠中,有1000万OSNs鼻子和1000种不同的气味受体。因为每个OSN表示只有一个受体类型,这意味着每个受体类型是表示在10000年神经元(1000万/ 1000 = 10000)。但是有10000个神经元表达相同的气味受体在鼻上皮组织?他们是大面积铺开,还是聚集在一起?什么发生在他们生成的电子信息与他们最喜欢的有气味的互动?特定的信息有气味的收敛(或聚在一起)大脑的特定区域?
我们发现这些问题的答案通过使用先进的技术,有选择地颜色神经元表达相同的受体基因。鼻子上皮,OSNs是随机分布在一个大的区域(图3)。(纤维称为OSNs然后把他们的扩展轴突)到第一个中继站在大脑中处理气味,被称为嗅球。所有10000 OSNs表达特定受体收敛在嗅球的一个特定区域,称为肾小球(图3,对吧)。总的来说,有1000个独立的肾小球嗅球和每个接收信息(10000)OSNs表达一个特定的受体基因(4]。
- 图3 -嗅感觉神经元的组织。
- 在鼠标的鼻子,有一百万OSNs。每个OSN表示只有一个特定的受体有气味的东西,所以每一种气味受体表达的~ 10000 OSNs传遍鼻子上皮(小蓝点中部的图像)。每个OSN发送电子信息通过一个轴突(蓝色纤维)在嗅球一个位置,称为肾小球(红场右边)。10000年所有纤维OSNs表达相同的受体聚集在同一个肾小球。感觉在不同的肾小球细胞表达不同受体收敛。(图片改编自(4])。
嗅感觉神经元的活动
当一个动物暴露在一个特定的气味(箱1)?气味是由许多分子(例如,超过400的玫瑰(6])。我们看到,每一个都有气味的分子激活特定群体的OSNs(10000人),收敛在嗅球和激活特定的肾小球。闻玫瑰激活不同的组肾小球闻巧克力,所以特定的气味创建特定模式(或“地图”)肾小球大脑的活动。
箱1 -嗅觉系统的动物。
感知和区分气味的能力是非常重要的许多动物,和嗅觉可能是最早在生物进化。之间有很多相似之处的嗅觉系统的各种动物。例如,果蝇的嗅觉系统,类似于人类和啮齿动物,包含特定细胞,每个标识数量相对较小的气味分子(5]。在果蝇中,气味受体细胞(位于两个天线)表达相同的受体也收敛在肾小球。然而,果蝇肾小球较少(约60,而1000年人类)。苍蝇的嗅觉系统和人类之间的相似性让科学家对人类的嗅觉系统得出重要结论通过研究果蝇,比人类更容易研究。还有关键区别人类和苍蝇的嗅觉系统,对人类和气味,被认为是愉快或不愉快的不一定会经历同样的苍蝇,反之亦然。
如今,我们可以看不起的啮齿动物嗅球神经成像技术,和“读”空间组织模式(“地图”)的神经活动,并从这个活动的气味是遇到破译。这是一个伟大的科学家认识到气味的新方法,但它显然不是动物识别气味的方法,因为它没有一个成像显微镜在嗅球和不能从外面看我们科学家做自己的神经活动。
虽然大脑识别气味的吸引人的能力尚未完全了解,我们知道在嗅球神经元项目其轴突多个脑区(图4)。有些地区负责自动行为在回应的气味。例如,当一个动物遇到特定的气味表明危险的存在,比如当一只老鼠遇到猫的气味,一个自动“逃跑!“反应被激活。其他轴突在大脑嗅球学习发生。那里,一个动物学习特定行为反应基于气味它遇到[3]。
- 图4 -嗅觉系统的解剖和功能组织。
- (左)有气味的分子进入鼻子和绑定到OSNs受体。每个国家统计局只表达一种嗅觉受体(不同颜色的“手指”)。OSNs的轴突穿越鼻骨,进入第一个中继站嗅觉系统的大脑嗅球(黄色)。(右)特写镜头的链接从左边的箭头。(1)OSNs表达相同的受体结合只对某些气味分子(扩大的例子显示为“绿色”OSN)。(2)OSNs表达相同的受体(颜色)分布在整个鼻子上皮。(3)OSNs表达相同的受体发送相同的肾小球的轴突。(4)嗅球的信息传播到其他的大脑区域,负责自动或习得行为(图片改编自:诺贝尔奖)。
绝大多数的人类对气味的反应的第二种类型,而不是自动学习。人把学意义强加给特定的气味,这些个人意义影响他们对气味的反应。例如,一个浪漫的人第一次约会,包括葡萄酒能学会把这酒的味道和爱的感觉。后来,当他们闻到酒,他们感到“兴奋”的蝴蝶,想接触他们的爱人。
这意味着个体可能具有独特的行为反应到特定的气味,根据过去的经验与气味(框2)。对于一些人来说,闻到玫瑰与一个美丽的情感体验相关联(如爱),而对于其他玫瑰可能与红色有关,这可能与血液和恐惧有关。但是如果我们的大脑同样的气味分子的反应是不一样的,那么我们是否真正体验相同的气味,当我们闻到特别的气味?
箱2 -嗅觉和年龄。
嗅觉会削弱随着年龄的增长,我们的能力来检测微弱的气味或区分气味减少。几个因素导致,包括有气味的受体数量的减少和降低某些大脑区域的函数。有趣的是,最近的研究表明,失去你的嗅觉是老年痴呆症的前兆,并能帮助诊断疾病10多年前与内存相关的症状。
我的橘子闻起来像你的橙色吗?
想象的人从来没有见过也没有闻到橙子要求你描述一个橘子的味道。你能说出来吗?可能不是一个橙色的桔子的味道,你学会了解和认识到气味的协会。当你看到一个橘子,你闻到它在同一时间;然后,即使在黑暗中你闻到它,你知道它是一个橙色的桔子的气味与形象相关联,或叫“橙色。“在这个意义上,从视觉嗅觉是完全不同的。如果有人从未见过一个橘子,问你一个橘子是什么样子,你可以说它是圆的,有一个橙色,是关于棒球的大小,表面光滑,等等。您可以创建一个内部对象的图像在你的大脑,但您不能创建一个内部的气味在你的大脑。
如果我们不能用语言描述的气味,甚至不能建立一个内部的气味,我们怎么知道你和我闻到同样的气味,当我们闻到橘子?答案是,我们不知道!正如我们提到的,很有可能,当你和我闻到橙子首次激活不同的神经活动模式在我们个人大脑但是我们都是将气味相同的水果,因为我们都是看到一个橙子。除了与对象关联的气味“橙”,我们有一个类似的经历的气味?也许,但是我们感知的气味相对于其他在我们的生活中我们已经闻到了。例如,橘子闻起来更像是一个比它闻起来像柠檬咖啡,这是对我们所有的人。这意味着相似个体感知气味的方式可能是纯粹的相对必备的,我们都同意一个特定对象的气味比其他人更像一些对象。这是一个很好的提醒,我们对气味的感知不是absolute-unlike红色的观念,例如,基于不变的频率的光。
为未来的科学家之谜Perception-An悬而未决的问题
有一个非常重要而复杂的问题认为科学尚未回答。这个问题是有效的嗅觉和所有其他的感官非常fundamental-asking也是如此解释感觉信息的发生。
正如我们之前所讨论的,当大脑处理信息的感官,生成一个特定模式的电活动在一个特定的神经元在大脑中,代表着物质世界在大脑的神经活动模式。这些模式的活动可以不同时间(发生)和空间(在大脑发生)。所以,整个物理世界的丰富性和多样性是由特定组神经元在大脑中特定的时间和地点。
对于科学家而言,这意味着两件事:第一,物理现实抽象大脑的大脑,其次,必须的解释这个抽象的信息来给它一个意义。例如,一个对象在外部世界,像一个橙色,翻译成一个特定的电活动模式,代表它在大脑中,然后大脑“数字”这个电活动的意义(这世界上有一个橘子)通过解释和实施意义的活动。但是大脑必须把这种活动模式与意义如“这是一个橙子的味道;这让我感觉很好,因为它让我想起了果园几年前我去…”。目前,这令人惊讶的“跳”从大脑电活动的解释和意义我们的地方是一个真正的mystery-we尚不清楚它是如何发生的。我相信这个“神奇”一步是未来的神经科学家应该解决下一个大谜题。也许你会是其中之一吗?
对年轻人的建议
在我看来,有一个非常简单的方法来选择在生活中做什么。不管你选择是否科学或建设。但不管它是什么,一定要选择一个你爱的人,奉献自己,工作强度和激情。这是所有!你必须热爱你所做的。这种激情,美联储通过技能和知识,将推动你向前追求卓越。所以,你必须发现你感兴趣的领域,然后尽可能多的了解这个领域。当激情和知识联系在一起,它常常会导致创造力和幸福。
额外的材料
术语表
嗅觉系统:↑负责嗅觉的感官系统。
有气味的:↑气味分子释放对象,穿过空气,并输入你的鼻子。
鼻子上皮:↑纸巾上后部的鼻子闻。
受体:↑细胞上的分子相互作用非常特别地与另一个分子,像锁和钥匙,将交互转换为细胞内的一个信号。
嗅感觉神经元(OSNs):↑神经细胞含有气味受体与气味转化为电信号传送到大脑。
神经元:↑一个神经细胞;在大脑中主要的细胞类型。神经元产生电信号,传送给其他神经细胞。
轴突:↑神经纤维携带神经元电信号从一个到另一个地方。
嗅球:↑第一个中继站在大脑中参与闻。它接收信息从OSNs气味信息传送给大脑的其他区域。
肾小球:↑一个地区所有的嗅球OSNs表达特定受体收敛。
的利益冲突
作者说,这项研究是在没有进行任何商业或金融关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
确认
我要感谢诺亚戈夫进行面试,作为本文的基础,对于与人合写的论文,莎朗Amlani提供插图,和苏珊Debad周全的手稿。特别感谢为他的宝贵意见哈兰Shani-Narkiss手稿。
引用
[1]↑Duchamp-Viret, P。杜尚,。Chaput, m . a . 2003。单一的嗅感觉神经元同时集成组件的气味混合物。欧元。j . >。18:2690-6。doi: 10.1111 / j.1460-9568.2003.03001.x
[2]↑巴克,L。阿克塞尔,r . 1991。基因家族编码有气味的受体:小说气味识别的分子基础。细胞。65年,175 - 87。0092 - 8674 . doi: 10.1016 / (91) 90418 - x
[3]↑阿克塞尔,r . 2005。嗅觉感知的气味与情感:分子逻辑(诺贝尔演讲)。《应用化学》Int,版。44:6110-27。doi: 10.1002 / anie.200501726
[4]↑Mombaerts, P。王,F。霍华斯,C。曹国伟,美国K。所,。Mendelsohn, M。,等。1996。想象一个嗅觉感官的地图。细胞。87:675 - 86。doi: 10.1016 / s0092 - 8674 (00) 81387 - 2
[5]↑威尔逊,r . i . 2013。早期的嗅觉处理果蝇:机制和原则。安。启>。36:217。doi: 10.1146 / annurev -神经- 062111 - 150533
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