气味的科学(和神经科学)

文摘   科学   2024-12-07 07:01   上海  

我偶然发现了一篇关于气味科学的迷人文章,我们如何闻到我们做什么,为什么我们有气味差异,嗅觉丧失和嗅觉神经科学。这让我进入了一个脑洞,看到了关于气味分子的形状和运动的其他文章;味觉:味觉和嗅觉之间的联系;气味、情感和记忆是如何交织在一起的;“超级品酒师”、衰老甚至心理健康的作用;生物生理学差异;还有更多。因为我有足够的时间等待一个阿塔尔精油测试完成,我想我将与你分享我学到的东西。

Source: Thought Co.

在我开始讨论史密森尼(Smithsonian)的文章之前,让我分享一下其他文章关于气味分子、嗅觉、人体和我们探测气味的能力的基本背景细节。

《科学美国人》2016年的一篇题为“气味看起来像什么(What a Smell Looks Like)”的文章讲述了如何创建嗅觉机器人(是的,你没有看错),从气味分子的结构开始,提供了一些关于气味的介绍性解释:

[S]社会对我们如何闻气味的机制知之甚少。我们知道鼻子里充满了嗅觉神经元,它们是区分气味的“看门人”,但我们对接下来会发生什么却知之甚少。大脑的哪个区域能准确定位母亲刚烤好的饼干的位置?或者区分香蕉的味道和花生酱的味道?或者,当煤气从炉子里泄漏出来时,哪个大脑中枢会判断气体的浓度?[…]

气味是一种足够轻的化学分子,可以被周围的环境所传播。气味通过空气或水下传播,最终被我们鼻子里的传感器——嗅觉神经元所绊倒

博士后研究员Aaron True为了了解气味分子的运动和结构长度,用一个小罐子和一根管子建造了一个机械版的鼻孔。《科学美国人》援引他的话说:

特鲁厄说:“当你吸气时,气味基本上会散开,所以你最终会闻到非常稀薄的强烈集中的气味。”“但就在它旁边,你会有一个信号很低、气味很低的区域。”

所以当你在花园里停下来闻玫瑰时,你的每一次闻都在改变别人的香气。吸入会在气味云内产生巨大的空白空间。这些空隙被称为间歇性空隙,它们在嗅觉上相当于照片中的负空间。

现在我们对气味分子的基础知识有了更多的了解,让我们来谈谈鼻子,很明显,鼻子是我们身体中最重要的气味部位。Regina Bailey在2021年的一篇题为“嗅觉系统和你的嗅觉The Olfactory System and Your Sense of Smell”的文章中详细解释道:

我们的嗅觉是一个复杂的过程,它依赖于感觉器官、神经和大脑。嗅觉系统的结构包括:

Source: Radiopeadia

  • 鼻子Nose:包含鼻道的开口,允许外界空气进入鼻腔。鼻子也是呼吸系统的组成部分,它可以加湿、过滤和加热鼻子内的空气。

  • 鼻腔Nasal cavity:由鼻中隔分为左右两个通道的腔体。它内衬黏膜。

  • 嗅觉上皮Olfactory epithelium:鼻腔中含有嗅觉神经细胞和受体神经细胞的特化上皮组织。这些细胞向嗅球发送脉冲。

  • 筛板Cribriform plate:筛骨的多孔延伸物,它把鼻腔和大脑分开。嗅觉神经纤维通过筛状的孔延伸到嗅球。

  • 嗅觉神经Olfactory nerve:参与嗅觉的神经(第一颅神经)。嗅觉神经纤维从粘膜通过筛板延伸到嗅球。

  • 嗅球Olfactory bulbs:前脑中的球状结构,嗅神经在此结束,嗅束在此开始。

  • 嗅束Olfactory tract:从每个嗅球延伸到大脑嗅皮层的神经纤维带。

  • 嗅皮层Olfactory cortex:大脑皮层中处理气味信息和接收来自嗅球的神经信号的区域。

Graphic from “Textbook OpenStax Anatomy and Physiology,” published May 18, 2016. Souce: Wikipedia

2020年《哈佛公报》上一篇题为《鼻子知道什么What the nose knows》的文章解释了味觉和嗅觉之间的联系,这种联系与进食的乐趣紧密交织在一起,我们都知道,当我们生病时,因为鼻子堵塞而失去了一些味觉。哈佛大学的文章详细阐述了生物物理结构的联系:

他说,当你咀嚼时,食物中的分子“会通过鼻腔回到你的鼻腔上皮细胞”,这意味着基本上“你认为的味道都是气味”。当你吃到所有美丽、复杂的味道时,它们都是气味。”默蒂说,你可以通过在吃香草或巧克力冰淇淋等食物时捏鼻子来验证这一理论。他说,“你尝到的不是味道,而是甜味。”

与此相关的是,被归类为“超级味觉者”的人可能有更强的嗅觉。(因此,这是一种超级嗅觉者。)不久前,我的一个朋友是侍酒师大师(一个气味和味觉紧密交织的职业),她告诉我,她相信我是一个超级品酒师,因为我的鼻子很灵敏。

Tongue papillae density of a Super Taster vs a Non-Taster. Source: Harvard.

哈佛大学公共卫生学院有一篇文章叫《味觉超常者与味觉平庸者:普通人更好吗?Super-Tasters and Non-Tasters: Is it Better to Be Average?》这篇文章讨论了这个问题,并提供了更多关于人类一般探测气味能力的细节。即:

与基本味觉的数量很少相比,人类能够识别超过10,000种不同的气味。与味觉不同,人类对嗅觉异常敏感。

  • 我们能够检测到某些挥发性化合物的香气,其含量为万亿分之一,有些甚至低1000倍。为了让你更好地“理解”这是什么意思,万亿分之一相当于32000年中的一秒!

  • 人类灵敏的嗅觉显然是为了帮助我们定位食物,并避免在品尝之前食用变质的食物。

  • 当你发现天然气泄漏时,你可能已经体验过你对气味的敏感。天然气公司在天然气中加入一种非常难闻的挥发性含硫化合物甲基硫醇,这样我们就可以检测到非常小的泄漏。人类能够检测到十亿分之二的这种化合物,这是一个非常小的量,但仍然比万亿分之一的浓度高1000倍。

  • 我们可以闻到的一些化合物的含量为万亿分之一或更低,包括青椒、霉菌、烤燕麦,以及另一种由煮熟的海鲜中形成的含硫化合物。


回到气味和味道之间的相互作用,哈佛大学公共卫生学院的超级味觉家的文章进一步解释了我们是如何在食物中闻到气味的:

我们通过两种途径感知食物的气味。通过鼻子嗅被称为正交鼻嗅觉,而当我们咀嚼和吞咽食物时,通过口腔后部释放到鼻子的香气被称为鼻后嗅觉。正鼻嗅觉和鼻后嗅觉似乎是在大脑的不同部位处理的。后者是感知食物气味最重要的途径,被认为占到食物味道的80-85%(2)。这就解释了为什么当我们感冒和鼻子堵塞时,我们无法检测到食物的味道。

食物的味道和香气是通过我们嘴和鼻子里的味觉和嗅觉细胞表面的特殊感受器(蛋白质)感知的。它们为我们的大脑和外部世界提供了直接的联系。

  • 虽然味觉感受器的数量有限,但据估计,大约有400种不同类型的嗅觉感受器。

  • 含有味觉和嗅觉感受器的细胞每10-30天更换一次。随着年龄的增长,这些细胞的总数会减少,尤其是在70岁以后。

  • 嗅觉和探测气味的能力下降是一些神经退行性疾病(如帕金森病)的常见特征。帕金森氏症患者通常在出现导致诊断的特征性运动症状前几年,他们的嗅觉就会下降。(4)

  • 味觉细胞聚集在整个口腔和喉咙后部的味蕾中,形成一种叫做乳头的结构。这些是你舌头上明显的肿块。


    Source: BBC

气味也与记忆和情感紧密相连。Regina Bailey的一篇题为“嗅觉系统和你的嗅觉”的文章解释了我们的鼻子和大脑不同部分之间的联系:

我们的嗅觉是通过探测气味来工作的。位于鼻子中的嗅觉上皮细胞含有数百万个化学感受器,用于探测气味。当我们嗅时,空气中的化学物质会溶解在粘液中。嗅上皮细胞中的气味受体神经元检测到这些气味并将信号发送到嗅球。然后,这些信号通过感觉转导,沿着嗅觉束发送到大脑的嗅觉皮层。

嗅觉皮层对气味的处理和感知至关重要。它位于大脑的颞叶,参与组织感觉输入。嗅觉皮层也是边缘系统的一个组成部分。这个系统涉及到我们情绪的处理、生存本能和记忆的形成。

Source: Discover Magazine

Source: BrainFacts.org

嗅觉和情感

我们的嗅觉和情绪之间的联系不同于其他感觉,因为嗅觉系统的神经直接连接到大脑边缘系统的结构。气味可以引发积极和消极的情绪,因为气味与特定的记忆有关。

此外,研究表明,他人的情绪表达会影响我们的嗅觉。这是由于大脑中被称为梨状皮层的区域的活动,在气味感觉之前就被激活了

梨状皮层处理视觉信息,并产生一种特定香味闻起来令人愉快或不愉快的预期。因此,当我们在闻到气味之前看到一个人带着厌恶的表情时,我们就会预期这个气味是令人不快的。这种期望影响了我们对气味的感知。

之前讨论过的哈佛文章《鼻子知道什么》更详细地探讨了气味和情感、气味和记忆、气味和颜色,甚至嗅觉品牌的作用。例如,耐克的标志性气味“灵感来自橡胶篮球运动鞋在球场上擦过的味道,以及足球鞋在草地和泥土上的味道。”为了寻求帮助,他们向Dawn Goldworm寻求帮助,她是“嗅觉品牌公司”的联合创始人和主管,她称之为“嗅觉品牌公司”。戈德沃尔姆详细阐述了颜色、记忆和气味之间的联系:

在演讲中,她解释说,嗅觉是胎儿在子宫中唯一发育完全的感官,也是孩子在10岁左右视力取代嗅觉时发育最充分的感官。戈德沃尔姆说,因为“气味和情感被储存为一种记忆”,童年时期往往是你创造“你余生喜欢和讨厌的气味的基础”的时期

她还解释说,人们倾向于用颜色来闻气味,她把蘸有气味的纸片递给观众,证明了这种联系。和大多数人一样,她的听众将柑橘味的柑橘与橙色、黄色和绿色联系在一起当闻到香根草,一种青草的气味时,观众们想象的是绿色和棕色

Source: snhwallpapers.com

2017年《发现》杂志上一篇题为“人类的嗅觉比我们想象的更强大”的文章也讨论了气味和情感之间的联系,因为它涉及到母亲和新生儿的气味:

如果你曾经认为婴儿的气味有什么特别的地方,你是对的。2013年,来自德国、加拿大和瑞典的科学家对30名女性进行了功能核磁共振扫描,同时让她们闻新生儿的棉质汗衫。新妈妈们的丘脑比没有孩子的女性更活跃,这表明母亲们的注意力增加了。所有的女性都在大脑的新纹状区(奖励系统所在的区域)表现出活动

Photo by Sickova Tatyana via Shutterstock

参与这项研究的Lundström说,新生儿的新鲜气味在女性体内激活的生物机制与婴儿“非常圆的眼睛、圆脸和可爱的声音”相同。这是母亲和孩子结合的自然方式。虽然在这项研究中只测试了女性,但Lundström怀疑在男性中也会发现类似的结果。

到目前为止,研究人员还没有找到造成这种新生儿气味的分子。Lundström和他的同事们在显微镜下观察了一些化学物质(象征性的和字面上的),甚至在研究新生儿的气味是否可以用来治疗抑郁症。研究小组还在调查,是否患有产后抑郁症的女性缺乏新生儿气味分子的受体,或者没有从婴儿气味中接收到奖励信号

在新冠肺炎导致人们失去嗅觉后,我们通过气味感知和体验世界的能力的重要性得到了高度关注。然而,早在新冠肺炎之前,就有一部分人患有嗅觉缺失症。2022年6月《自然》杂志上一篇题为《如何恢复嗅觉》的文章讨论了嗅觉丧失以及如何恢复嗅觉的新焦点。

西雅图华盛顿大学的鼻科医生阿里亚·贾法里(Aria Jafari)说,尽管在新冠肺炎之前,嗅觉丧失很少受到公众关注,但“事实上,嗅觉丧失是相当普遍的”。总人口中有5%到15%的人,65岁到80岁之间的人中有近一半的人,他们的嗅觉受损

Source: hoax-slayer.com

嗅觉丧失的治疗方法和恢复的机会都取决于其原因。衰老是一个原因,慢性鼻窦炎是另一个原因。后者是有治疗方法的。“嗅觉丧失可能是帕金森病或阿尔茨海默病等神经退行性疾病的早期症状。这种形式的嗅觉丧失没有治疗方法,这可能涉及到在大脑其他地方造成损伤的相同机制。”

在暂时性或与covid相关的嗅觉丧失后恢复的一种方法包括训练鼻子的基本知识:

训练鼻子

治疗covid后嗅觉丧失的主要方法是嗅觉训练,许多鼻科医生将这一过程比作鼻子的物理治疗。参与者被要求闻一组四种精油,每一种精油深吸15秒,同时集中精力记忆相应的气味。他们在几个月的时间里每天重复两次这个过程。

嗅觉训练的根源在于,人们已经认识到嗅觉是可变的、可改进的。德国德累斯顿工业大学(Technical University of Dresden in Germany)的嗅觉研究员托马斯·哈梅尔说,例如,从事与嗅觉有关的职业的人——侍酒师、调香师、茶商和厨师——通常都有敏锐的鼻子。哈梅尔在21世纪初进行了一些关于嗅觉过程的初步研究。

如果你感兴趣,你可以在这篇冗长的文章中阅读更多关于嗅觉训练治疗计划、嗅觉缺失、嗅觉减退、幻觉和嗅觉缺失的内容。我想谈谈是什么触发了我进入嗅觉神经科学的脑洞。

史密森尼杂志2022年10月号上有一篇长篇详细文章,题为“嗅出嗅觉的科学——从实验室到美术馆,了解你鼻子的芬芳、麝香、臭和完全令人困惑的世界的最新努力。”这篇文章由阿比盖尔·塔克(Abigail Tucker)撰写,首先关注安德烈亚斯·凯勒(Andreas Keller)博士,他是一位神经科学家,后来成为嗅觉艺术画廊的老板,他解释了气味的许多基础知识,气味感知,人与人对气味的不同个人反应等等。(我很感兴趣地了解到,“在2011年的一项调查中,超过一半的年轻人承认,他们宁愿放弃嗅觉能力,也不愿放弃智能手机。”)

在他位于纽约的嗅觉艺术画廊里,那些“琢磨着一种名为‘罪人’的气味的游客们经常会为他们闻到的是什么而争吵——那是医院的消毒剂吗?”教会香吗?不,是唐杜里鸡!”

“At a New York City gallery called Olfactory Art Keller, smelling is believing. Touching this painting by Luiza Gottschalk releases aromas of a pasture and a wet night.” Photo by Caroline Tompkins via the Smithsonian article.

这些不同的个人反应正是凯勒毕生致力于研究的:为什么不同的人对相同气味的感知不同,或者对相同气味的解释不同,或者根本没有注意到其中一些气味。这些问题是气味如何被大脑编码这一更大问题的核心。例如,一堆被吸进去的蛋白质和碳水化合物是如何导致我们对刚刚烤好的酸面包的强烈意识的?

好吧,我在这篇文章的前面部分已经提到了一点,但这一切都可以追溯到“鼻子——或者更确切地说,你鼻孔里的感觉神经元丛——拥有大约400种受体类型。”

2004年,理查德·阿克塞尔(Richard Axel)和琳达·巴克(Linda Buck)被授予诺贝尔生理学或医学奖,因为他们发现了编码这些受体的基因,这些受体位于特化神经元的表面,使他们能够将信息沿长腿轴突向大脑更深处发射,到达处理气味的两个嗅球之一。但我们仍然无法了解许多个体受体能识别哪些气味,更不用说它们是如何协同工作的了。

如前所述,气味是由气味分子组成的。例如,香蕉的气味“是大约20个分子的混合物,每个分子都有重叠的受体组,激活一些受体,可能抑制另一些受体,在香韵accord中,我们以某种方式记录为香蕉的所有香调notes。”

但我们的受体可能和别人的不一样:

你的受体库中大约有30%的功能与你的邻居不同,这就解释了为什么谈话以“你闻到了吗?”如此频繁地演变成闹剧。像雄甾酮这样的物质——一种存在于人类汗液、松露和其他地方的麝香——闻起来像檀香、尿液或什么都没有,这取决于气味者的性质。长期以来,研究人员认为“芦笋尿”并不是普遍现象,因为只有特定的人在食用了这种带刺的蔬菜后才会闻到恶臭。事实上,只有一些倒霉的鼻子能闻到这种气味,但对于那些能闻到的人来说,这种气味是普遍存在的——凯勒说,“只有当他们闻到彼此的尿液时”,这些受试者才意识到这一点。例如,即使是专业调香师有时也需要一个辅助鼻子来给肉桂加药。

当我读到费城莫奈尔化学感官中心(Monell Chemical Senses Center)收集和储存的各种气味时,我觉得很有趣,尤其是“一种名为‘U.S.’的人造化合物”《政府标准浴室恶臭》(Government Standard Bathroom Malodor),取材于现实生活中的军用厕所,俗称“恶臭汤”(恶臭汤)。’”更传统的嗅觉材料也储存在那里,比如氨溴辛、佳乐麝香galoxolide、愈创木酚和各种麝香。麝香是一些人不容易发现的原材料之一,史密森尼博物馆的记者就是其中之一。

如果你有兴趣,我会让你读更多关于这篇文章中提到的麝香敏感性的研究,因为我想继续读凯勒和费城莫雷尔中心的一项研究,该研究是关于1000名华人和100名纽约人之间的基因和嗅觉差异。结果的要点是:

虽然这项研究揭示了人与人之间的基因和感官差异,但这种差异并没有沿着种族界限而变化。相反,所有关键的受体类型都分布在纽约和中国。这可能是因为我们的气味受体变体相当古老,在亚洲、欧洲和非洲人口相对较近的分化之前就已经发生了突变。

除了受体类型之外,还有许多变量影响人们如何、是否以及闻什么气味。例如,一些因素是:

生理性别是一个——雌性对气味更敏感,对体味等臭味更敏感。心理健康也在其中,一些疾病,如自闭症,与嗅觉增强有关,而另一些疾病,如帕金森病和抑郁症,与敏感度降低有关。

如果你有兴趣了解更多,上面引用和链接的所有文章中都有丰富的额外细节。史密森尼博物馆有一个相当长的章节,讲述了Covid对气味的影响,如果这是你经历过的事情,以及嗅觉神经元的研究和气味在触发记忆中的作用的阐述

我想用一些相关和完全不相关的观点来结束这篇文章。第一个问题涉及普遍性问题。如果说我分享的研究表明了一件事,那就是当谈到某物“闻起来像什么”时,没有普遍的真理。这对我来说是一个痛苦的话题,我在过去提到过几次,因为我经常遇到一些笼统的说法,似乎暗示着“一种气味适合所有人”,或者换句话说,“这就是香水的味道”。不,它是你闻到的味道,是你闻到的味道,这是基于多种因素的,包括你的生物生理学和遗传学等鲜为人知的因素

所以当男人们写信问我“最好的男性香水是什么?”,我总是被一个基本的假设所困扰,即存在一个可计算的、确定的答案。没有。永远不会

类似地,当一个人对另一个人闻到的气味不屑一顾,或者当他们声称另一个人在探测他们自己没有探测到的嗅觉细微差别方面是胡扯时,潜在的假设是我们拥有相同的嗅觉能力。我们没有。即使从生物学角度来看,我们也不可能完全相同——从舌头上的乳头数量,到大约400种不同类型的气味受体,你的皮肤化学成分,你的健康状况,衰老对你气味敏感性的影响,以及你的大脑过滤和处理气味分子的方式。

然而,从积极的方面来看,正如其中一篇文章所阐述的,在covid - 19相关的嗅觉缺失之后,我们总是可以改善或提高我们探测各种气味的能力。如果你已经超出了我在《香水初学者指南》中列出的基本方法,你可以进一步进行每日香水疗法,按类别和流派购买原材料,并遵循每日训练方案。

在寻找原材料的时候,我想推荐几个地方。一种是Eden Botanicals,专注于天然和植物精油,因为他们有一个按香气家族的样本部分。他们提供国际航运服务。另一个是“调香师学徒”,它提供的教育套件不仅包括天然的,还包括芳香化学品。他们也向世界各地运送货物。考虑到英国脱欧后面临的运输问题,英国读者可能会想求助于Pell Wall,它提供了各种香水制造原材料套件,按气味类别或类型分类,除了制作香水外,你还可以用它们来训练你的鼻子。

说到这里,我要去闻更多的阿塔尔精油了。祝大家周末愉快。

本文译自:

https://kafkaesqueblog.com/2022/09/23/the-science-and-neuroscience-of-scent/

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