东京大学农生研究生院Kazushige Touhara教授：建立随心所欲的香料香精设计技术，以实现人性化服务为目标

文摘 2024-11-19 07:04 上海

香料和香精在很多方面影响着人们的生活质量。然而，与其他感官，即视觉和听觉相比，它们的使用相对未被探索。东京大学农业与生命科学研究生院的Kazushige Touhara教授是香料和香精领域研究的先驱。他一直在进行研究，以建立预测人们如何感知它们的技术，并随意设计香料和香精。他致力于产学研合作，实现以人为本的服务，并将其研究成果应用于社会。

Kazushige Touhara, 东京大学农业与生命科学研究生院教授。自2017年起担任JST-Mirai项目负责人。

大约400种不同的嗅觉受体：客观评估是工业应用的挑战

香料和香精影响人们的心理、生理、情绪和行为，并影响人们在各种环境下的生活质量，比如吃饭、洗澡和睡觉。例如，薰衣草和洋甘菊被认为有放松和缓解压力的作用。因此，香料和香精可以通过传递饮食文化和创造兴奋感来促进安全感和丰富思想，以及其他用途。然而，由于嗅觉比其他感官更复杂，它的用途仍未被探索。

虽然人类只有四种不同的光敏感受器，但人类有多达400种不同的嗅觉感受器来感知香料和香精。此外，据报道还有数十万种气味剂。嗅觉受体对这些气味的反应在个体之间有很大的不同。例如，由于“基因多态性”，即基因的差异，相同的香料和香精被一些人喜欢，而被另一些人不喜欢。此外，经历、文化、身体状况等因素会影响人们对不同香料和香精的感知和偏好。由于嗅觉的复杂性，客观评价香料和香精的概念是工业应用的一个挑战。

东京大学农业与生命科学研究生院的Kazushige Touhara教授说：“为了有效地利用香料和香精的功能，我们需要开发基于人类嗅觉感知机制的设计和控制技术，并评估它们对人的影响。”他成功地测量了老鼠嗅觉受体的气味反应，这是多年来没有得到证实的，他是嗅觉受体功能分析领域的领军人物。迄今为止，他已经揭示了许多香气分子和信息素影响大脑和行为的机制，包括发现小鼠性行为中的信息素和阐明昆虫性信息素受体的机制。

然而，Touhara从一开始就没有打算研究香料和香精。当他第一次进入东京大学时，他想从事建筑方面的职业。然而，他最终选择了农学院的农业化学系。然后，他对受体和激素的功能产生了兴趣。大学毕业后，他做了一个大胆的决定，去美国读研究生。在此期间，美国哥伦比亚大学的理查德·阿克塞尔博士和琳达·巴克博士发现了嗅觉受体基因，对气味感知和信号传递到大脑的研究取得了重大进展。这一发现给Touhara留下了深刻的印象，他一回到日本就开始了对香料和香精的全面研究。

人类使用嗅觉的独特方式：有效利用功能

动物和昆虫利用气味和信息素进行交流。因此，研究这些对理解生态系统很重要。虽然许多生物利用嗅觉来生存，但人类更多的是用嗅觉来享受美味的食物，用令人愉悦的风味和香味来放松。Touhara讨论了人类嗅觉的独特性，“与动物使用嗅觉的原始方式不同，人类主要是为了幸福，或者获得满足感，这是有效利用风味和香味效果的线索。”

自2012年以来，Touhara博士一直担任JST ERATO项目下的“Touhara化学感觉信号项目”的研究主任，对人类和动物的气味和信息素进行基础研究。基于该项目的研究成果和获得的知识，“通过扩展香料和香精的功能提供人性化服务”作为JST-Mirai项目于2017年启动，通过对人类的重点研究实现社会实施。他设想了“Olfactory DX”，旨在利用大数据和机器学习的证据，有效利用香料和香精的效果（图1）。

图1：嗅觉DX应用程序的示例。到目前为止，大多数产品和服务都以除臭为目标；然而，嗅觉DX可以应用于各种领域，包括生活方式、食品、环境、医疗保健和经济。香料和香精被有效利用的社会现实将有望改善每个人的福祉。

该项目采用复合方法研究风味和香味，有五个概念验证（PoC）目标，包括分析嗅觉受体反应，通过测量大脑活动来破译风味和香味信息，以及阐明它们对人类思维的影响。目前，对香气和气味的研究涵盖了各个领域，从分子水平的研究到行为改变，涵盖了各种各样的问题。因此，该项目有五个支柱（图2）。Touhara回忆说：“因此，各个项目紧密相连，协同产生了结果。”

图2：面向PoC的项目的五个支柱和结果。这个项目有五个目标，包括分析其成分，如食物和生活空间的风味和香味，以及使用测试。从这一过程中获得的结果有望导致使用香精和香料的服务和产品的开发以及营销支持。

进行了大规模的问卷调查，并创建了可视化和预测工具

对“人体气味”进行了多方面的个体研究。其中一项研究涉及体臭在母婴交流中的作用。Touhara和他的同事分析了从母亲和儿童的头部收集的气味，发现婴儿排出的一些气味成分比母亲排出的更多。当这些成分以与母亲闻到婴儿头部分泌物相同的比例混合时，发现“催产素”的分泌增加，这是一种与情感有关的激素。

其他结果与男性和女性之间的体味有关。男人觉得女人在排卵期产生的腋下香味令人愉快；然而，也存在一些问题，比如结果的不可重复性。因此，Touhara和他的同事们分析了女性在月经周期的不同阶段的腋窝气味，并证实了排卵期的香味对男性有积极的心理影响，在排卵期，女性荷尔蒙雌激素处于顶峰。“我们发现某些香水对沟通有积极影响。这一发现可能会促进家庭关系和安全感。”

基因多态性影响对风味和香味的感知。为了确定在许多人身上发现的基因多态性是否对嗅觉受体的活性有影响，Touhara和他的同事提取了基因多态性，并将它们暴露在气味剂中观察其活性。与此同时，他们与NTT管理咨询数据研究所合作，对日本约1000名20多岁或以上的人进行了问卷调查，询问他们“对风味/香味的感受”，并发现了与他们的感知相关的多种新的基因多态性。此后，他们将风味和香味数据库与人类信息相结合，创建了一个可视化和预测反应的工具（图3）。

图3：风味和香味响应的可视化和预测工具。在问卷调查中，受试者收到60种口味/香味，并询问他们的喜好和适合他们的场合。基于这些数据创建的工具显示，例如，“香草醛”，一种具有香草味的化合物，更受20多岁和30多岁女性的青睐，她们往往会感到压力。该工具的使用有望促进面向消费者的香精和香水服务的未来发展。

从大脑活动中预测风味和香味是困难的——用脑电图和“功能磁共振成像”成功测量

Touhara和他的同事们还建立了一个解码模型，可以从大脑活动中预测风味和香味。“解码”指的是一种测量大脑活动，并利用测量到的信号推断感知、思维和其他功能的技术。该技术常用于视觉和听觉感知研究，近年来对解码的研究也有所进展。虽然在视觉感知中已经可以实现准确的推定，但嗅觉感知的解码却很困难，研究还没有进展。

为此，Touhara和他的同事们将脑电图与功能性磁共振成像（fMRI）结合起来，测量大脑在感知风味和香味时的活动。结果表明，在受试者闻到气味的一秒钟内，可以通过记录的脑电图解码闻到的风味和香味的类型，并且信号源是右脑的颞中回、左脑的额下回以及脑岛等其他大脑区域。这些结果为从香味信息到感知的转化过程提供了新的见解。这是因为嗅觉异常作为帕金森氏症（一种神经系统疾病）的前兆之一引起了人们的关注，因此需要一种非侵入性的方法来评估人脑的嗅觉处理过程。

此外，使用功能磁共振成像的测量显示，当一种风味/香味与唤起它们的单词同时出现时，初级嗅觉皮层的活动模式会随着呈现的单词而改变，即使呈现的风味/香味是相同的。如果活动模式中的这些变化能够得到澄清，包括单独呈现单词和呈现单词以外的其他东西时发生的变化，那么将来就有可能在没有气味剂的情况下感知风味和香味（图4）。

图4：大脑对风味和香味的反应。大脑活动是通过感知风味/香味来测量的（左）。在梨状皮质，这是初级嗅觉皮层的一部分，当受试者闻到味道/香味并同时看到单词标签时，大脑活动模式发生了变化，反映了绿色部分的气味和红色部分的单词标签的差异（右）。

为交换意见而成立的研究小组：向社会实施迈进

在食品风味和香味方面，味之素在JST-Mirai项目开始之前就在构建基于香味成分和对它们做出反应的嗅觉受体的“嗅觉数据库”方面发挥了核心作用。在这个项目中，他们构建了一个地图来可视化风味和香味，以提高嗅觉数据库的可用性。此外，他们开发了一种风味和香味预测算法，以实现基于受体活性信息的预测。预计未来将实施一系列香精和香料的数字化，以实现高效的香精开发。

当该项目的全面研究于2019年开始时，Touhara和他的同事们发起了“香精香料4.0研究小组”，汇集了来自公司的研究人员和规划人员。这是一个面板，供对香料和香水的有效使用有期望和兴趣的人们分享知识和信息，并在各个行业和领域交换意见。一段时间以来，公司已经向他们咨询了香精和香料的使用；然而，许多协商议题含糊不清，没有贯彻到底。但是，通过参加研究小组，对问题是什么有了一个具体的认识。因此，与许多公司启动了联合研究项目，并在社会实施方面取得了进一步进展。

Touhara在进入大学时最初对建筑和空间设计感兴趣，但他选择了农业，这是一个完全不同的研究领域。他指出，了解控制动物生态系统的气味和信息素，为人们设计舒适的风味和香味空间，与农业的目标是一致的，比如促进对自然和健康的积极态度。“事实上，建筑与空间设计有很多共同点，这是我在大学时的兴趣所在，我认为我的研究与我当时的想法是一致的。展望未来，我想将我的工作扩展到跨模态研究，特别是在感官方面”（图5）。我们期待着Touhara未来的研究活动。

图5:Touhara及其同事所追求的感官客观化。为了扩大研究范围，以涵盖人类五种感官与其他因素的相互作用，他们旨在从分子水平到心理和行为水平，以多学科方法和多层次的方式客观化感官。

我认为我的研究是“制造事件”而不是“制造东西/制造”。我不只是追求效率和方便，而是想创造一个对人类和地球都无意识友好的空间。

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