摘要：记忆是有味道的，你有没有类似的经历？闻到一种熟悉的味道，思绪会跟着记忆回到以前的某个场景。太阳晒过的被子是家的味道，抱着被子仿佛沐浴在暖融融的阳光下；夏日栀子花的洗衣液香气是初恋的味道，仿佛坐在单车后香气随风摆动；雨后初晴的泥土气息是江南的味道，仿佛置身于西湖泛舟......这些气味是否能够激活你大脑尘封的记忆？气味与情感记忆究竟是怎么回事？人类大脑如何将嗅觉输入转化为不同的感知？
近日，来自东京大学的研究团队在The Proceedings of the National Academy of Sciences（PNAS）上发表了一篇题为“Spatiotemporal dynamics of odor representations in the human brain revealed by EEG decoding”的研究（图1）。为了研究嗅觉感知如何在人脑的空间和时间中出现，研究人员对脑电图的10种不同感知气味的反应进行了时间分辨多变量模式分析，并将由此产生的解码精度与感知和源活动相关联。
图1 研究成果（图源：[1]）
研究人员通过一种特制的气味传递装置收集数据，并基于机器学习的头皮脑电图分析大脑处理气味的方式。这种特制的气味传递装置可以准确及时地传递10种不同的气味。通过佩戴非侵入性头皮记录脑电图帽后，评估受试者的愉快程度并记录大脑内部的信号。接下来，该团队基于机器学习的计算机分析来处理相关数据，以高时间分辨率查看大脑中处理气味范围的时间和地点。
研究发现：
■ 大脑中的气味信息在处理的早期阶段与感知无关，但当感知发生后，难闻的气味比令人愉快的气味处理得更快；
■ 气味感知问题可能是神经退行性疾病的早期症状，因此揭示更多气味感知的神经基础可能有助于将来更好地了解这些疾病。
嗅觉最易感知的是令人愉悦的气味
人脑通过区域内和跨区域的动态计算将感觉输入迅速转化为感知。例如，在视觉系统中，已经证明低级视觉特征的神经表示向感知的转换发生在图像呈现后的几百毫秒内，在此期间大脑区域的不同组合暂时或持久地展现信息。生理感觉方面出现味觉刺激被迅速激活（包括初级味觉区域在内的多个皮层区域），同时出现个人味觉的神经表征。然而，嗅觉具有与其他感官不同的多种感知和神经特征。与视觉刺激不同，单独的气味很少形成可辨别的物体，而嗅觉感知最突出的方面是令人愉悦的气味。而且气味仍然能唤起除愉悦感之外的多种感知，例如果味和花香感知。
目前的研究中，研究人员基于头皮记录测试的10种具有不同感知质量的气味源活动，调查了人脑中气味表征的时空出现（图2）。使用时间分辨表征分析在传感器和源级别评估感知和大脑活动之间的表征相似性（图3），研究人员确定了气味信息在嗅觉处理过程中的时间和地点（图4）。研究人员为了捕捉所呈现气味的感知特征使用了大量的语言描述符，并将评级质量视为整个嗅觉感知空间中感知结构的度量，包括从不愉快到愉快的愉快范围，这是最嗅觉感知的显着维度。此外，研究人员还获得了单极愉快（中性到愉快）和不愉快（中性到不愉快）的感知评级，并分别评估了这些方面的神经表征。通过这种方式，检查了嗅觉感知的神经表征何时何地出现，以及它们在感知的不同方面有何不同。
图2 人脑中气味表征的时空出现实验（图源：[1]）
图3 气味信息表示的时间动态（图源：[1]）
图4 大脑中气味表征的时空演化（图源：[1]）
综上表明，个体气味的神经表征在350毫秒时最大程度地分离。感知表征出现在解码峰值之后：从300毫秒开始的单极不愉快（中性到不愉快），气味开始后500毫秒，所有这些感知表征在600毫秒后达到最大值。根据解码精度计算，在气味开始后100到350毫秒时位于初级和次级嗅觉区域及其周围。气味表征随后扩展到与情绪、语义和记忆处理相关的更大区域，这些后期区域的活动与感知显著相关。
大脑对难闻气味的早期感知是针对潜在疾病危险的预警
在当前的研究中，我们在判断之前评估的神经处理阶段。测量神经和行为延迟的未来研究将导致对嗅觉感知如何展开的更深入了解。当在更自然的条件下研究嗅觉加工时，也可以应用这种方法，例如，气味带有上下文线索，如气味来源的知识，这可能会改变嗅觉加工的时间顺序。
大脑对气味的检测发生在参与者有意识地感知气味之前，直到几百毫秒后才发生。“我们的研究表明，感知的不同方面，特别是宜人的气味是通过不同的空间和时间皮层处理出现的，”研究主导人加藤教授说道。
“大脑比感知更早判断出不愉快的味道。”同样来自农业与生命科学研究生院的项目副教授Masako Okamoto解释道(图5) 。当发出令人不快的气味（如腐烂和腐臭的气味）时，参与者的大脑最早可以在气味出现的300毫秒将它们与中性或令人愉快的气味区分开来。然而，直到500毫秒之后，大脑中才会出现令人愉悦的气味（例如花香和水果气味），这与气味的质量也被表征的时间差不多。从气味开始后的600-850毫秒，大脑中与情感、语义（语言）和记忆处理相关的重要区域开始参与最多。
图5 Masako Okamoto教授对大脑气味判断的解释（图源：[2]）
对难闻气味的早期感知可能是针对潜在危险的预警系统。“每个感觉系统中枢神经系统的方式在感觉模式（气味、光、声音、味觉、压力和温度）上都不同。阐明大脑嗅觉感知出现的时间和地点有助于我们了解嗅觉是如何产生的。”加藤教授说道。“我们还认为我们的研究具有更广泛的方法学意义。例如，头皮记录的脑电图可以让我们评估早在100毫秒时间段内的气味表现。”
这种关于我们大脑如何处理气味的高分辨率成像可能是未来更好地了解神经退行性疾病机制的垫脚石，例如帕金森病和阿尔茨海默病，其中嗅觉功能障碍是早期预警信号。该团队将进一步深入探索相关研究机制。加藤教授说道：“在我们的日常生活中，气味与视觉等其他感官信息一起被感知，每种感觉都会影响另一种感觉，虽然我们在目前的研究中单独提出了嗅觉刺激，但我们认为在更自然的条件下分析大脑活动，例如用电影呈现气味，也是很重要的。”也许 Smell-O-Vision（嗅觉电视）会再次卷土重来！
撰文|乔维钧
排版|木子久
设计|郭亚青
参考资料：
[1]Kato M, Okumura T, Tsubo Y, et al. Spatiotemporal dynamics of odor representations in the human brain revealed by EEG decoding. Proc Natl Acad Sci U S A. 2022 May 24;119(21):e2114966119. doi: 10.1073/pnas.2114966119. Epub 2022 May 18. PMID: 35584113.
[2]https://www.news-medical.net/news/20220529/EEG-data-reveals-when-and-where-odors-are-processed-in-the-brain.aspx
