成群的昆虫为大脑如何处理气味提供了线索

我们的嗅觉通常是对环境刺激的第一反应。气味触发大脑中的神经元,提醒我们采取行动。但是,在环境中,例如在咖啡店或杂货店中,通常不只一种气味。我们的大脑如何处理同时收到的多种气味?

巴拉尼·拉曼(Barani Raman)博士, 工程学院&圣路易斯华盛顿大学的应用科学系着手寻找答案。他使用具有相对简单的感觉系统来研究大脑活动的蝗虫,发现气味刺激了大脑中的神经活动,使蝗虫即使存在其他气味也能正确识别刺激。

结果发表在 《自然神经科学》作为2013年12月印刷版的封面故事.

该小组使用计算机控制的气动泵对蝗虫进行除味处理,蝗虫的触角中有嗅觉受体神经元,类似于我们鼻子中的感觉神经元。发出气味后几秒钟,蝗虫就会得到一块草作为奖励,这是一种巴甫洛夫式的调理。就像巴甫洛夫的狗在听到铃响时会流口水一样,经过训练的蝗虫会在释放出用于训练的气味时预期会得到回报。当他们预测奖励时,他们不垂涎欲滴,而是张开手掌或靠近口器的手指状突起。他们的回应不到半秒。即使在目标提示之前引入了另一种旨在分散它们的气味,蝗虫也可以识别出经过训练的气味。

生物医学工程学助理教授拉曼说:“我们期待这个结果,但是完成的速度令人惊讶。” “蝗虫的大脑只花了几百毫秒,就开始追踪其周围引入的新气味。蝗虫以极快的方式处理化学线索。”

“我们选择的气味中有些有趣的线索,”拉曼说。 “对我们来说闻起来像玫瑰的香叶醇是蝗虫的引诱剂,对我们来说闻起来像柠檬的柠檬醛对它们是一种驱避剂。这有助于我们确定气味处理的通用原则。

拉曼花了十年的时间来学习人脑和嗅觉系统如何处理气味和气味信号。他的研究旨在从生物嗅觉系统中获得启发,以开发一种用于非侵入式化学传感的设备。这样的设备可以用于国土安全应用中以检测挥发性化学物质,并可以用于医疗诊断中,例如用于测试血液酒精水平的设备。

拉曼说,这项研究是寻求理解嗅觉计算原理的系列文章中的第一篇。

拉曼说:“有先兆线索可以告诉大脑环境中存在捕食者,它必须预测接下来会发生什么。” “我们想确定必须进行哪些类型的计算才能做出这些预测。”

此外,团队正在寻求回答其他问题。

他说:“在您停止气味脉冲之前,早期处理中心的神经活动不会终止。” “如果您有一个长脉冲(5或10秒长),则在刺激过程中,甚至在终止刺激后,神经活动的作用仍然持续吗?在不同时间点产生的神经活动的作用是什么,它们如何帮助系统适应环境?这些问题仍不清楚。”

成群的昆虫为大脑如何处理气味提供了线索


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