理解嗅觉的重要一步！最新《细胞》揭秘嗅觉神经元的连接结构

▎药明康德内容团队编辑

街边飘来的红烧肉香气，或许能激起我们对家的记忆；而一阵烧焦的气味，则会提醒我们警惕周围潜在的危险……可以说，嗅觉对于我们的行为与情绪，起到重要的调控作用。但对科学家来说，嗅觉却足够神秘、令人费解。

例如，下面这个问题就难住了科学家们：在我们的鼻子闻到某种气味后，大脑是如何判断这种气味的含义的？

在此前的研究中，嗅觉相关皮层的神经元从未表现出任何的结构特征。这使得不少神经学家猜测，嗅觉信息是随机投射至整个大脑中的。

现在，一项发表于《细胞》杂志的研究在这一问题上取得重要突破。来自美国冷泉港实验室的联合研究团队创建了大脑嗅觉神经环路的全新图谱，并且揭示了嗅觉神经元的连接结构。

论文通讯作者之一Florin Albeanu教授表示：“我们如何处理嗅觉，目前仍是个开放的问题。大脑的嗅觉空间有哪些特征？大脑又如何对闻见的气味形成认知？”

在研究团队看来，此前的研究没有找到嗅觉神经环路的结构，很可能与一个普遍存在的缺陷有关：样本量有限，往往只检验了数十个神经元的投射方式。而最新研究使用的工具，是Anthony Zador教授（论文通讯作者之一）团队开发的两项大脑测序技术——MAPseq和BARseq。

其中，MAPseq可以高通量地追踪整个大脑中单个神经元的投射并构建连接图谱，而BARseq能够帮助研究者区分不同脑区的神经元。结合这两项技术，研究团队在小鼠大脑中追踪到数万个神经元各自的投射路径。

BARseq可用于一次性研究数百个小鼠的嗅球神经元（图片来源：CSHL, 2022）

全新的图谱描绘了嗅觉信息如何在大脑的不同嗅觉处理区域之间传递。这些脑区包括：从鼻子感知嗅觉信息的嗅球、主要的嗅觉处理中心梨状皮层（piriform cortex），以及其他几个接收来自嗅球的信息的区域。

在梨状皮层中，研究团队发现了一个关键特征：沿着梨状皮层前-后轴的方向，嗅觉神经元的投射形成了一个三元组的环路结构。

该研究揭示了嗅觉神经元投射形成的三元组结构（图片来源：参考资料[1]）

上图为我们展示了嗅觉神经元的投射结构。当僧帽细胞（mitral cell，嗅球中输出神经信号的神经元）投射至梨状皮层的前端（A端），一方面，梨状皮层前端的神经元会继续投射至一个位于梨状皮层之外的区域；另一方面，僧帽细胞也会直接投射至一个梨状皮层之外的区域，而这两个区域恰好是同一处——前嗅核（AON）。也就是说，嗅球、梨状皮层前端和AON形成了一个三元组。

同样，僧帽细胞投射至梨状皮层中端、后端（P端）时，也能分别与杏仁核（CoA）和外侧内嗅皮层（IENT）形成三元组。并且，嗅球向不同位点的投射是沿着梨状皮层前-后（A-P）轴的方向平行进行的。

研究示意图（图片来源：参考资料[1]）

这样的结构提示人们，这些互不干扰、相对平行的神经环路很可能形成分工，各自处理嗅觉信息的不同内容。

对于神经学家来说，这样的想法并不陌生。在研究其他感觉（例如听觉、视觉）时，人们就发现神经元的投射路径对应着特定的信息输入。在听觉系统中，神经元沿轴投射的位点就与我们听觉的声音频率有关；而在视觉系统中，投射位点传递了人们看见的物体的位置信息，而不同的神经环路对应于物体的位置和特征。

研究团队推测，由嗅球输出的信息可以分为三部分：包含AON、CoA和IENT的三元组环路，分别处理嗅觉中关于感知（perception）、效价（valence）和行动（action）的信息。

研究者表示，这份嗅觉图谱使得我们开始迈入感官神经科学最后的未知前沿。正如Albeanu教授所言：“这是理解嗅觉处理本质的重要一步。”

参考资料：

[1] Yushu Chen et al, High-throughput sequencing of single neuron projections reveals spatial organization in the olfactory cortex, Cell (2022). DOI: 10.1016/j.cell.2022.09.038

[2] Mapping the path from smell to perception. Retrieved Oct 31st, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/969736

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