尖端的3D成像揭示了鼻子检测异味组合的方式

哥伦比亚大学在老鼠身上进行的研究表明，鼻子中的特殊细胞如何帮助大脑区分世界上几乎无限的气味组合。

每天的每一刻，我们都被气味所包围。气味可以带回记忆，或迅速警告我们食物变质了。但是我们的大脑如何识别这么多不同的气味？而我们如何轻松地解开混合气味的成分呢？在今天发表在《科学》杂志上的一项关于老鼠的新研究中，哥伦比亚科学家朝着回答这些问题迈出了重要的一步，而秘密就在于鼻子内部。

“从垃圾到古龙水，我们每天遇到的气味包含成百上千种气味，”哥伦比亚大学生物科学教授，当今研究的共同作者斯图尔特·弗恩斯坦（Stuart Firestein）说。“您早上喝咖啡可以包含800多种不同类型的气味分子。尽管已经做了很多工作来了解鼻子和大脑如何协同工作以识别偶尔的气味，但是科学家们长期以来一直在努力解释当多种气味混合在一起时该系统如何工作。”

从静止状态下的10个嗅觉上皮获得的SCAPE数据的3D体积渲染，没有气味刺激，显μ示×1600m1200m350mμ视×场μ。

Columbia团队使用一种称为SCAPE显微镜的尖端3D成像方法，监视了小鼠鼻子中成千上万个不同细胞对不同气味以及这些气味的混合物的反应。他们发现，鼻子向大脑发送的有关混合气味的信息不仅仅是其各个部分的总和。

鼻子中检测气味的细胞分别具有多种不同的传感器或感受器之一；例如，人类具有多达400种不同类型的这些受体。对于纯净的单一气味，只有对这种气味敏感的受体的细胞才会活跃，从而向大脑发送一个可以识别为该气味的代码。但是对于更复杂的气味混合物，此代码的解释将变得越来越复杂。

研究人员希望看到，由气味混合物激活的细胞相当于将对气味的反应加在一起。实际上，他们发现，在某些情况下，气味实际上可以关闭细胞对混合物中另一种气味的反应。在其他情况下，第一种气味可能会放大细胞对第二种气味的反应。

尽管我们经常感觉到一种气味占主导地位，但以前认为这种处理发生在大脑中。这些结果表明，鼻内的这些相互作用会影响发送到大脑的信号。

研究小组的数据挑战了传统观点，即大脑通过找出所有个体成分来理解各种气味。它证实了调香师早已知道的：将不同的香气结合在一起可以自己创造某种体验，从本质上说，它变成了一种可以提供完全不同的体验的全新香气。

Firestein实验室的博士候选人，今天的研究的第一作者，陆旭说：“我们很高兴发现代码中的这些变化发生在鼻子甚至还没有到达大脑之前。”“我们认为这些影响可以帮助我们检测和识别比简单的附加代码所能传达的范围更大的气味和混合物。”

为了揭示嗅觉系统的这些内部工作原理，研究人员利用了SCAPE显微镜的强大功能，该技术是由祖克曼研究所首席研究员，今日《科学》杂志的资深共同作者伊丽莎白·希尔曼（Elizabeth Hillman）博士开发的。SCAPE显微镜可实时创建活组织的高速3D图像。它来回扫描成角度的光线，以创建活动中的活细胞和组织的高速3D电影。

Firestein和Hillman实验室对SCAPE进行了定制，以照亮并查看小鼠鼻子中的组织。研究人员检查了动物鼻子内的神经元细胞，这些细胞被激活后在显微镜下闪烁的荧光标记。然后，他们将动物的鼻组织暴露于一系列不同的气味组合中：一种带有木质花束，另一种则包含杏仁，花香和柑橘气味的混合物。

Hillman实验室的博士后研究科学家，论文的第一作者，作者Wenwen Li博士说：“ SCAPE使我们能够在很长一段时间内同时分析成千上万个单个细胞中任何一个的活性。”“使用常规显微镜，我们只能在短时间内对薄层中的数百个细胞成像。SCAPE使在完整的3D鼻腔结构内对更多细胞成像而不损坏组织成为可能。这样一来，我们就可以追踪每个单元对一系列不同气味组合的反应。”

为了处理收集到的大量数据（每个组织样本超过300 GB），该团队必须构建自己的强大数据处理服务器，并使用哥伦比亚统计局和西蒙斯基金会开发的算法。

近二十年来，气味专家已经知道某些气味会掩盖甚至增强其他气味。通过今天的研究，研究人员发现了这种现象的潜在机制。

哥伦比亚工程学院生物医学工程学教授希尔曼博士说：“我们的结果表明，气味分子既可以激活受体，也可以使其失活，不是通过使受体过强，而是通过改变细胞对其反应的方式来掩盖其他气味。”应用科学。“这些发现实际上可能非常有用，例如用于制造更好的空气清新剂，从而实际上可以阻挡任何不想要的气味。”

Firestein博士补充说：“这些结果也令人兴奋，因为我们并不期望这种受体能够以这种方式得到增强或抑制。”能够改变受体对一种物质的反应方式对于药物开发非常重要。我们在鼻子上的研究实际上为调节可能与疾病有关的其他细胞类型的反应的可能方法提供了新的启示。

哥伦比亚大学瓦格洛斯医学院的放射学教授希尔曼博士补充说：“这项研究是两个不同实验室专业知识的真正结合，具有最先进的显微镜技术和大数据分析。”和外科医生。希尔曼博士感谢美国国立卫生研究院（NIH BRAIN Initiative）的资助和鼓励，以使这种并行的科学技术工作成为可能。“我们发现了以前几乎看不见的东西，因为我们有了一种新的观看方式。”

参考：陆旭，文文李，Venkatakaushik Voleti，邹东京，伊丽莎白·M·C·希尔曼和斯图尔特·费尔斯坦的“广谱受体驱动的外周嗅觉编码”，2020年4月9日，科学。DOI：
10.1126 / science.aaz5390

本文的标题为“外围嗅觉编码中的扩频受体驱动的调制”。其他贡献者包括Venkatakaushik Voleti和邹东京。

这项研究得到了美国国立卫生研究院（2 R01 DC013553），美国国立卫生研究院（NIH BRAIN）倡议（U01NS09429，UF1NS108213），芬美意（3000615937），美国国家癌症研究所（U01CA236554），国防部（MURI W911NF-12-24 1-0594）的支持），西蒙斯基金会全球大脑合作组织，卡夫里脑科学研究所和国家科学基金会（IGERT和CAREER CBET-0954796）。

利益争夺：伊丽莎白·希尔曼（Elizabeth Hillman），李文泽（Wenze Li）和Venkatakaushik Voleti宣布，将SCAPE显微镜的知识产权授予Leica Microsystems进行商业开发可能存在潜在的财务利益冲突。Stuart Firestein，Elizabeth Hillman，Venkatakaushik Voleti和Wenze Li收到的资金用于为Firmenich SA提供与此处介绍的工作有关的建议。