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论文ID
题目：Single-neuron representations of odours in the human brain
期刊：Nature
IF：69.504
发表时间：2024年10月9日
通讯作者单位：德国波恩大学
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08016-5
主要内容：
我们感知体验的神经基础是什么？来自人类许多单个神经元的同步记录为大脑不同区域如何处理气味提供了令人惊讶的见解。
大脑中的神经活动模式如何导致感知？传统上，神经科学中的这个中心问题是在记录动物神经元的活动时研究的，这些动物经过训练可以响应不同的刺激来执行特定任务，这仅提供间接的感知测量。或者，对可以叙述其感知体验的人类进行的实验通常仅限于间接记录方法，该方法仅报告低时间或空间分辨率的大量神经活动。随着可以测量大脑深处活动的植入式“深度”电极的普及，以及能够记录大量单个神经元的技术的快速发展，这种情况正在发生变化。总之，这为研究人员提供了研究人类大量单个神经元的活动的机会并将神经活动与感知直接联系起来。在《自然》杂志上报道的一项研究中，Kehl 等人记录人类志愿者中数千个神经元的气味诱发神经元活动，为大脑中如何处理气味信息提供了前所未有的见解。
在接受称为立体脑电图的术前监测技术的癫痫患者中，来自一种深度电极的导联被植入整个大脑。Kehl 及其同事使用了修改后的导联，其中还包含小微线，每个微线都可以记录单个神经元的活动。
当参与者接受癫痫发作活动的临床监测时，他们被要求吸入不同的气味，例如大蒜、玫瑰和咖啡。在此过程中，Kehl 和同事对个大脑区域的数百个神经元进行了记录。它们是梨状皮层（通常称为初级嗅觉皮层）和属于内侧颞叶的四个结构，它们不被认为是主要的嗅觉区域：杏仁核、内嗅皮层、海马体和海马旁皮层。
作者首先分析了每个区域对不同气味的神经活动模式。以前的研究已经广泛研究了气味信息如何在啮齿动物梨状皮层神经元的活动中编码。令人欣慰的是，在人类梨状皮层中记录的气味反应的一般特性与在啮齿动物中观察到的一致。为了量化编码在每个大脑区域的气味信息，他们训练了称为分类器的机器学习算法，以从每个区域记录的神经数据中识别呈现的气味。梨状皮层显示出最准确的气味分类，但杏仁核、海马体和内嗅皮层也包含气味信息，尽管解码速度比梨状皮层慢且准确性较低。值得注意的是，海马旁皮层不包含任何气味信息。
参与者被要求对每种气味的愉悦度或效价进行评分。通过分析伴随的神经反应，研究人员发现效价是在杏仁核中编码的——杏仁核是一个主要以其在处理情绪中的作用而闻名的大脑区域——但没有在其他任何区域编码。研究参与者还被要求识别气味。识别准确性与海马体的活动相关，但与其他区域无关。这些发现揭示了不同的大脑区域如何以不同的方式处理气味。梨状皮层最擅长编码气味本身;杏仁核评估气味的效价;需要在海马体或海马体的上游进行进一步处理，以识别和命名气味（图 1a）。
梨状皮层通常被称为初级嗅觉皮层，因为它接收来自嗅球的直接输入，嗅球是首先接收来自鼻子中检测气味分子的感觉神经元的信号的大脑结构。然而，梨状皮层在更高级别加工中的作用对这一名称提出了挑战。这项研究进一步支持了梨状皮层更多地作为参与高级认知过程的“关联”区域，而不是初级感觉皮层。
事实上，在看到气味后，志愿者会看到与气味相对应的图像（例如，大蒜、玫瑰或咖啡的图片）。视觉图像在所有记录的大脑区域都引起了反应。而且，通过应用用于对气味诱发活动进行分类的相同类型的解码分析，作者可以使用视觉反应来解码所有区域呈现的图像，包括没有表现出气味反应的海马旁皮层。值得注意的是，梨状皮层的图像解码比任何其他监测的大脑区域都更准确。
此外，研究人员发现，在梨状皮层和杏仁核中接受图像诱发活动训练的分类器在对气味诱发活动进行测试时，可以准确预测相应的图像。这表明梨状皮层和杏仁核编码对象的多模态、“语义连贯”表示。换句话说，这些区域处理与相同含义相关的不同类型的信息。也许最引人注目的发现是多模态“概念神经元”的发现。这些神经元表现出高度选择性和语义一致的反应，整合了感觉、认知和语言信息。例如，一个梨状皮层神经元对甘草的气味（和茴香，一种气味相似）产生强烈和选择性的放电，并对甘草的图像甚至写出的单词表现出选择性的反应，尽管较弱（图 1b）。这一发现坚决挑战了梨状皮层仅作为初级嗅觉皮层的观点，反而揭示了它在整合多模态感觉信息和形成连贯概念方面的作用。
尽管这项研究为嗅觉的神经基础提供了开创性的见解，但它为进一步探索留下了空间。例如，研究概念神经元是否对想象的气味做出反应可以帮助科学家理解嗅觉感知和记忆之间的复杂关系。未来的研究可以采用一种细粒度的方法来了解气味信息如何在海马体和杏仁核的不同亚区域中处理，它们执行不同的功能。从清醒的人类的单个神经元群中记录的能力使这项研究成为可能，未来的工作可以在此基础上建立。
在梨状皮层中发现概念神经元引发了关于感觉和知觉的有趣问题。我们的大脑如何在感觉处理的早期阶段整合信息以形成连贯的概念？我们与使用现有的内部模型来解释和更新我们的理解相比，在多大程度上依赖感官信息来驱动感知？是什么影响了感觉和预测之间的相互作用？直接观察人类的神经活动使科学家更接近回答这些问题。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08016-5
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