摘要：在20世纪晚期，对G蛋白偶联化学感觉受体家族的意外发现，彻底改变了我们对嗅觉系统的理解。非选择性嗅觉感觉神经元表达一种单一的嗅觉受体类型，并投射到主嗅球的特定肾小球，这一发现为了解主嗅球中气味表征的空间模式提供了基础。使用头部固定的清醒小鼠和光遗传学的研究已经揭示了肾小球输入时间与嗅循环以及梨状皮质在气味物体识别中的作用的重要性。在20世纪70年代，主嗅觉系统对气味的探测和表鼻系统对信息素的探测似乎是一种相对简单的二分法，现在发现它由多个子系统组成。这些细胞介导对气味和信息素的先天反应，以及对O2、挥发性尿液成分、肽和蛋白质等多种物质的先天反应。在20世纪的大部分时间里，嗅觉的神经生物学是一个被忽视的研究领域，部分原因是人们认为临床疾病缺乏重要性。然而，缺乏进展的一个更根本的原因是在组织、分类和控制嗅觉刺激方面存在困难。其他感官刺激可以很容易地沿着线性维度变化，如空间位置、波长、频率或强度。但是如何组织具有不同大小、形状和多个官能团的复杂分子结构呢?嗅觉神经元的接受区如何能被映射到上千种可能的气味刺激上呢?此外，刺激传递的时间不如其他感官精确，嗅觉刺激相对难以控制。所有这些因素意味着，到20世纪80年代，尽管有许多尝试根据有限数量的原始气味特征来表征气味，但这些简化气味空间的尝试都没有成功，对嗅觉的理解进展缓慢。到20世纪80年代后期，嗅觉感觉神经元(OSNs)的转导机制的研究取得了进展。众所周知，气味刺激与三磷酸鸟苷(GTP)依赖性细胞内环磷酸腺苷(cAMP)增加有关，表明G蛋白偶联受体(GPCRs)参与其中(Pace et al.， 1985)。但该领域的重大突破是巴克和阿克塞尔(1991年)发现嗅觉受体(OR)基因家族，这项工作随后获得了2004年诺贝尔生理学和医学奖。Buck和Axel寻找序列多样且表达局限于嗅上皮的GPCRs。他们发现了哺乳动物基因组中最大的GPCR基因家族，最新的基因组研究表明，在小鼠中表达了大约1100个功能性ORs (Saraiva et al.， 2015)，在人类中表达了大约370个功能性ORs。这种OR基因家族的鉴定为发现嗅觉系统的基本组织原则铺平了道路，即成熟的OSN单等位基因表达单一OR类型(Chess et al.， 1994)。然而，尽管只表达一种OR类型，但OSN通常会对一系列结构相关的气味剂产生反应，相反，人们发现每种气味剂都会激活表达不同OR类型的OSN (Malnic et al.， 1999)。这种编码策略的组合性质意味着可以检测和区分的不同气味的数量大大超过了不同OR类型的数量。下一步是对表达特定OR基因的OSN进行遗传标记。这表明表达特定OR的OSN广泛分布在主嗅上皮的表达区。但是，表达相同OR的OSN轴突聚合到单个肾小球上，这些肾小球只接受来自特定OR类型的输入(图1;Mombaerts et al.， 1996)。各种成像技术已经证实了基本的编码原理，即单个肾小球对多种气味有反应，但每种气味对肾小球活动的总体模式都是独特的(Friedrich和Korsching, 1997)。![]()
图1所示。嗅觉信息处理的基本原理。嗅觉感觉神经元表达一种特殊的嗅觉受体类型(用颜色表示)分布在主嗅上皮中，但它们的轴突投射会聚到主嗅球的特定肾小球。非相邻二尖瓣细胞之间的活性依赖侧抑制可以增强二尖瓣细胞活动的时空模式的对比。
从20世纪70年代末开始的影像学研究表明，无论是个体内的左右主嗅球(MOBs)之间，还是同一物种的个体之间，肾小球对气味的反应模式都是相对固定的。这就提出了一个问题，气味信息是否以类似于其他感官模式中刺激特性的神经映射的方式映射在MOB表面。世纪之交出现的新观点是，存在广泛的化学定位，肾小球对不同种类气味剂的反应映射到MOB的不同区域(Mori et al.， 2006)。但是，当根据单个肾小球的气味反应特征来识别它们时，发现对相似气味有反应的肾小球与对完全不同种类气味有反应的肾小球混杂在一起(Soucy et al.， 2009)。这表明，在单个肾小球的水平上，跨MOB的大规模化学定位图并不明显，并且不太可能在神经处理中发挥与其他感觉模式中的神经定位图相同的作用。相反，高度刻板化的肾小球位置可以解释为一个发育图，其中肾小球在MOB上的收敛位置取决于OR类型中基础的、未受刺激的G蛋白活性的变化(Imai等，2006)。这一发育原理解释了具有高度序列同源性的ORs如何具有相似的气味结合特征和相似的G蛋白激活基础水平，从而导致它们聚集在MOB的相似区域。这种刻板的、自组织的肾小球会聚模式可能对使发育中的OSN轴突在发育过程中以及在成人持续的再神经支配过程中会聚到正确的肾小球很重要。脊椎动物嗅球的一个独特特征长期以来一直引起神经科学家的兴趣，那就是在MOB投射神经元和抑性中间神经元之间存在互反突触(图1)。这些抑性连接无疑在形成二尖瓣细胞对气味反应的时空模式中发挥着各种作用，包括二尖瓣细胞群的快速同步。然而，这些抑制连接并不像其他感觉系统中那些介导侧抑制的连接那样密集或空间均匀，这就提出了这样一个问题，即这种稀疏和不规则的抑制连接如何在神经处理中发挥作用。对这种组织的一个潜在解释来自最近的证据，即相互突触可以介导活动依赖的侧抑制。这可以对二尖瓣细胞活动模式进行对比增强，而不考虑其局部空间组织(Arevian et al.， 2008)，因此克服了刺激特征在整个MOB中缺乏空间映射的问题。此外，MOB中新习得气味的模式分离可能会通过神经发生和将具有更多可塑性突触的新抑制性中间神经元纳入MOB网络而增强(Lledo和Valley, 2016)。到20世纪80年代，我们对梨状皮质在嗅觉中的作用的理解主要是基于解剖追踪研究。这些结果表明，单个二尖瓣细胞在梨状皮质的大片区域向锥体细胞发送不同的投射。相反，梨状皮质锥体细胞接收来自二尖瓣细胞的输入，从整个MOB的肾小球采集不同的OR输入。前梨状皮质的神经结构及其输入的收敛模式表明，它可以将在MOB水平上表征的气味特征联系起来，并将它们与气味物体的表征联系起来。这一假说的直接证据最终通过记录梨状皮质中单个锥体细胞在光学刺激嗅球中不同类型肾小球时的反应而得到。不仅多个肾小球需要被激活才能引起梨状皮质锥体细胞的尖峰，而且不同的个体锥体细胞被不同的肾小球活动模式激活(图2;戴维森和埃勒斯，2011)。![]()
图2 梨状皮质中的锥体神经元与二尖瓣细胞的活动模式相关联，形成气味物体。(a)单个肾小球的刺激不足以驱动锥体神经元的活动。(b)同时刺激至少四个肾小球可驱动锥体神经元活动。(c)不同的肾小球刺激模式激活不同的锥体神经元。
气味密码有时间维度吗?
过去几十年的主要进展之一是引入了头部固定的小鼠清醒记录。除了避免电生理记录过程中麻醉的直接影响外，这种方法还使动物能够通过嗅探进行主动气味取样。这表明，与麻醉下的记录相比，清醒小鼠的二尖瓣细胞反应似乎对更窄范围的气味更敏感。此外，当二尖瓣细胞尖峰序列与嗅闻周期而不是刺激传递对齐时，发现峰值放电率更高，时间更精确。峰值反应发生在同一二尖瓣细胞对不同气味的不同嗅循环阶段，以及不同二尖瓣细胞对相同气味的不同时间(Shusterman et al.， 2011)。与早期使用电压敏感染料成像的研究一起，这些发现表明肾小球和二尖瓣细胞的空间模式在气味反应过程中进化。然而，嗅觉系统是否可以利用这种时间信息为相似气味的辨别提供进一步的维度，这个问题无法通过气味刺激来解决，因为它们在时间上过于分散，无法进行要求毫秒精度的研究。Smear等人最终克服了这个问题，利用光遗传学激活OSN输入到MOB中，可以在与嗅吸周期相关的精确时间内传递。他们发现，经过训练，小鼠可以可靠地辨别在嗅吸周期中不同时间传递的相同光遗传刺激，即使时间差异短至25毫秒(Smear et al.， 2011)。时间的重要性也可以在梨状皮质水平上观察到，其中锥体神经元似乎被调整以响应肾小球激活的某些滞后，因此可能能够将MOB时间代码转换为频率代码(Haddad et al.， 2013)。信息素这个词在50多年前被创造出来，用来描述一种由个体释放的物质，这种物质对同一物种的另一个个体有先天的影响。信息素对小鼠雌性生殖状态的影响早在1970年就已被证实。这些被发现是由犁鼻器官(VNO)介导的，它被认为是与主嗅觉系统平行和独立的化学感觉系统。然而，识别脊椎动物中潜在信息素效应的进展缓慢，依赖于行为生物测定来识别通常以低浓度存在于复杂生物分泌物中的活性成分。再一次，是感觉受体的识别改变了这个领域，并在过去的20年里导致了对小鼠犁鼻系统的理解的快速增长。在20世纪90年代中期，Axel的研究小组使用了来自个体犁鼻感觉神经元的互补DNA (cDNA)文库的差异筛选来鉴定犁鼻受体的V1R类(Dulac和Axel, 1995)。一年后，Buck的研究小组用类似的方法鉴定了一种完全独立的V2R犁鼻受体(Matsunami和Buck, 1997)。最近对小鼠基因组的分析发现了大约239个功能性Vmn1rs，它们检测小挥发性分子和硫酸类固醇；121个功能性Vmn2rs，用于检测蛋白质和肽，另外5个甲酰基肽受体用于检测细菌和免疫相关肽。这种出乎意料的大量受体类型表明，小鼠VNO在调节信息素的作用和传递同种信息(包括其性别、激素状态、遗传个性和感染状态)方面的作用具有前所未有的复杂性。然而，这在大多数哺乳动物中并不典型，存在相当大的物种差异(表1)。表1 哺乳动物嗅觉受体(ORs)、犁鼻1类受体(V1Rs)、犁鼻2类受体(V2Rs)和微量胺相关受体(TAARs)基因库的多样性| 物种 | Ors | V1Rs | V2Rs | TAARs |
|---|
| 小鼠 | 1130 | 239 | 121 | 14 |
| 大鼠 | 1210 | 108 | 79 | 17 |
| 负鼠 | 1200 | 98 | 86 | 32 |
| 奶牛 | 1190 | 32 | 0 | 25 |
| 马 | 1070 | 36 | 0 | 11 |
| 狗 | 810 | 9 | 0 | 2 |
| 兔子 | 770 | 159 | 37 | ? |
| 猫 | 700 | 28 | ? | ? |
| 人 | 400 | 3 | 0 | 5 |
| 黑猩猩 | 380 | 4 | 0 | 3 |
| 绒猴 | 370 | 8 | 0 | 1 |
| 短尾猿 | 310 | 0 | 0 | 6 |
在20世纪90年代的大部分时间里，普遍持有的观点是，在检测一般气味的主嗅觉系统和检测信息素的犁鼻系统之间存在明显的二分法。然而，小鼠VNO已被发现不仅介导信息素效应，还介导对捕食者气味的先天反应(表2;Isogai et al.， 2011)。此外，在主要嗅觉系统中还发现了化学感觉子系统，如表达微量胺相关受体的神经网络，这些受体介导对化学感觉刺激的先天反应，包括捕食者的气味和信息素(Dewan et al.， 2013)。这两个系统之间的主要区别现在看来是，主要的嗅觉系统适应于对空气中的刺激作出反应，而梨鼻系统适应于对直接接触刺激源后的液相中的刺激作出反应。| 系统 | 器官 | 受体 基因 | 感知物质举例 | 功能 |
|---|
| 主嗅觉系统 | 主嗅上皮 | 嗅觉受体家族 | 一般气味剂，如乙酸戊酯和柠檬烯 | 对一般气味的检测、辨别和学习 |
| 微量胺相关受体 | 主嗅上皮 | 微量胺相关受体家族 | 分解组织气味剂，尸胺，性吸引信息素，三甲胺 | 对化学信号和信息素的先天反应 |
| TRPM5 | 主嗅上皮 | 嗅觉受体家族? | 雄性引诱剂信息素(甲硫)甲硫醇 | 对社会化学信号的反应 |
| OR37 | 主嗅上皮 | 嗅觉受体OR37家族 | 长链脂肪醛，十六醛 | 下丘脑-垂体-肾上腺轴的抑制 |
| 鸟苷酸环化酶系统 | 主嗅上皮 | 无 | CO2, O2 | 检测环境中CO2升高/ O2还原 |
| 梨鼻急性组织 | 梨鼻急性组织 | 未知 | 报警信息素，2-仲丁基-4,5-二氢噻唑；捕食者气味，2,4,5-三甲基噻唑啉 | 对警报信息素和捕食者气味的冰冻反应 |
| V1R | 犁鼻器 | 犁鼻受体家族1类 | 硫酸类固醇激素衍生物 | 对信息素和异源性化学信号的先天反应 |
| V2R | 犁鼻器 | 犁鼻受体家族2类 | 主要尿蛋白，主要组织相容性复合物肽配体，外分泌肽，猫科 | 对信息素、个体化学信号和异源化学信号的先天反应 |
| FPR | 犁鼻器 | 甲酰基肽受体家族 | n -甲酰基-甲硫基-亮基-苯丙氨酸，脂毒素A4 | 传达同种病原体状态 |
50年前看似相对简单，但神秘的感觉，现在已经被揭示为一组复杂得多的感觉受体和通路，它们对化学感觉线索的先天和习得反应都起着调节作用。还有一个未知的化学信号和受体的世界有待探索，以及中央嗅觉区域，如外侧嗅束核和嗅结节，除了它们的解剖学联系外，对它们知之甚少。但我们现在有了实验工具，以确保我们对嗅觉的理解最近的快速进展不会很快减慢。Brennan PA. 50 years of decoding olfaction. Brain and Neuroscience Advances. 2018;2. doi:10.1177/2398212818817496
