Sci Adv︱英国利兹大学团队揭示气味感知恒常性源自初级感觉神经元变化

学术   2025-01-20 08:30   上海  


撰文︱七  七

责编︱王思珍


感知恒常性是体验世界的基础。尽管感官输入可能会根据照明条件[1]、音调和响度[2]或触摸物体的速度[3]而变化,但它仍能实现对物体的一致识别。这种能力似乎不是天生的;相反,它被认为是随着经验的发展而发展的。考虑到大多数感官模式很难限制与物体的相互作用,识别与感知恒常性发展相一致的神经变化构成了相当大的挑战。气味的感知稳定性至少会受到两个因素的影响:气味的浓度以及背景气味的存在。先前的研究表明,尽管存在时间上连贯的背景气味,小鼠仍能学会识别目标气味[4]也能学会基于时间上的不连贯来分离气味源[5]因此,作者研究了老鼠如何感知不同浓度的气味以及如何形成恒常性。


近期,英国利兹大学Jamie Johnston团队在Science Advances上发表了题为“Perceptual constancy for an odor is acquired through changes in primary sensory neurons”的文章。作者表明,当老鼠对气味陌生时,在浓度增加的情况下,感知恒常性缺失。这种感知变化与对气味最敏感的单一嗅觉受体通道的活动迅速减少相一致。这种活动的下降并不是嗅球内部回路相互作用的特性;相反,这是由于鼻子内嗅觉受体神经元的敏感性不匹配。作者表明,在小鼠形成这种气味与食物的关联后,受体通道的敏感性与气味物体相匹配,防止信息传递失败并促进感知稳定性。这些数据表明,主要感觉器官的可塑性保证感知恒常性的形成。


作者采用交叉习惯化实验,探究了小鼠对不同浓度气味的感知变化。结果显示,小鼠能够在2-庚酮浓度从6×10-5%6×10-3%之间,以及乙基丁酸酯浓度从6×10-3%6×10-1%之间,检测到气味的质的变化,这表明小鼠的气味感知存在浓度依赖性。进一步的行为与神经生理实验证实了这一点,即使小鼠能够检测到极低浓度(1×10-7%)的乙基丁酸酯,但在浓度增加6万倍时,它们仍然没有探索反应。这说明小鼠对气味浓度的感知和行为反应之间存在差异,可能涉及复杂的神经调控机制。作者推测,这种浓度依赖的气味感知差异,可能源于中枢神经系统对气味刺激的编码方式发生变化。


1气味感知的变化随着注意力的集中而发生


作者使用双光子成像,探究小鼠嗅觉系统对不同浓度乙基丁酸酯气味的编码机制。在嗅球神经层面,即使对于极低浓度的气味刺激,小鼠中也能检测到活跃的嗅小球反应。随着浓度增加,被激活的嗅小球数量也随之增加。一个关键的"主导"嗅小球对气味感知具有重要作用。这个嗅小球在感知弱气味时表现出持续反应,而在感知强气味时则出现快速适应。主导嗅小球从持续反应转为快速适应发生在感知阈值范围内(浓度从6×10-3%6×10-1%),这与行为实验观察到的气味感知质的变化一致。总之,小鼠仅依靠少数几个嗅小球的活动,就能高度准确预测小鼠的气味感知,这支持了稀疏编码的假设,即少数关键嗅小球决定了气味感知。


2 气味感知依赖于稀疏代码


除了输出神经元,嗅球内还短轴突细胞等局部神经元,这些神经元可能参与快速适应的形成。作者使用仅在嗅觉感受神经元表达GCaMP6f的转基因小鼠,发现嗅觉感受神经元末梢本身也出现了与僧帽细胞类似的快速适应动力学。这表明,该快速适应不是由前馈性抑制产生的,而是起源于嗅觉感受神经元本身。进一步的模拟研究发现,当强刺激导致嗅觉感受神经元细胞膜强烈去极化并阻止动作电位传递时,就会出现僧帽细胞反应的特征。这种作用电位传递失败的机制,可能解释了行为实验观察到的气味感知在高浓度区域发生质的变化的神经基础。总之,研究揭示了嗅觉系统如何利用感受神经元本身的适应性机制,从而在不同浓度刺激下产生不同的感知体验。


3 快速适应是由于嗅觉受体神经元的信息传递失败


作者发现,小鼠在通过食物自然经验将某种气味(乙基丁酸酯)与食物关联后,可以在广泛的浓度范围内准确识别和定位这种气味。这说明,通过学习可以克服嗅觉感知中的恒常性丧失问题。在神经水平上,经过食物关联后,小鼠原本对强刺激表现出快速适应的"主导"嗅小球,现在表现出对全浓度范围内都有较持续的响应。这表明,通过学习,该"主导"嗅小球的灵敏度发生了改变,使之能够跨越之前感知阈值的浓度范围进行响应。进一步分析发现,在经历气味-食物关联后,"主导"嗅小球的适应指数明显降低,响应幅度随浓度变化的曲线也发生了平移,动态范围更适合于感知日常生活环境中的浓度变化。然而,即使经过学习,这个"主导"嗅小球仍无法成为首先激活的小嗅球,这可能意味着嗅小球激活的时序编码机制在自然学习中是难以改变的。


4 知觉恒常性涉及神经变化


文章结论与讨论,启发与展望

这项研究表明,小鼠和人类一样,在感知气味时会出现浓度依赖的质的变化。这种感知的转变与嗅球中一个"主导"嗅小球的传递失败有关。当小鼠将气味与食物关联后,这种传递失败现象就得以消除,这与稀疏编码理论是一致的。在低浓度下,最先激活的"主导"嗅小球承载了更多气味特征信息。但在高浓度下,即使经过学习,这个"主导"嗅小球仍然不是最先激活的。这可能是因为,在简单的气味识别任务中,大脑更倾向于利用最先激活的嗅小球来快速做出判断;而在自然探索气味对象的场景下,大脑更多依赖气味浓度最相关的"主导"嗅小球。总之,这项研究为理解嗅觉系统如何在不同感知任务中采用不同的编码策略提供了很好的视角,并揭示了学习如何改变嗅觉神经元对气味的编码特性。


原文链接:https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.ado9205


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参考文献
1 J. Yang, S. Kanazawa, M. K. Yamaguchi, I. Motoyoshi, Pre-­constancy vision in infants. Curr. Biol. 25, 3209–3212 (2015).

2 S. M. Town, K. C. Wood, J. K. Bizley, Sound identity is represented robustly in auditory cortex during perceptual constancy. Nat. Commun. 9, 4786 (2018).

3 T. Yoshioka, J. C. Craig, G. C. Beck, S. S. Hsiao, Perceptual constancy of texture roughness in the tactile system. J. Neurosci. 31, 17603–17611 (2011)

4 D. Rokni, V. Hemmelder, V. Kapoor, V. N. Murthy, An olfactory cocktail party: Figure-ground segregation of odorants in rodents. Nat. Neurosci. 17, 1225–1232 (2014).

5 T. Ackels, A. Erskine, D. Dasgupta, A. C. Marin, T. P. A. Warner, S. Tootoonian, I. Fukunaga, J. J. Harris, A. T. Schaefer, Fast odour dynamics are encoded in the olfactory system and guide behaviour. Nature 593, 558–563 (2021).
编辑︱王思珍
本文完


     

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