人类与小鼠嗅觉处理过程或共享一种古老的大脑节律

美国西北大学最新两项研究显示，人类与小鼠在处理气味信息时，可能依赖同一套在进化中长期保留下来的神经时间系统，即便两者的呼吸和行为模式看起来截然不同。

科研人员发现，小鼠在取食过程中不仅会高速连续嗅闻，还会在关键时刻做出一次刻意的“单次嗅闻”；与此同时，人类在缓慢吸气的过程中，大脑嗅球会产生与啮齿类动物高度相似的低频节律。这一结果表明，哺乳动物在嗅觉信息采集上共享一套演化保守的“时间窗”机制。

研究由西北大学范伯格医学院神经科学与神经内科团队联合开展，并分两篇论文发表于 2026 年 7 月 3 日的《Science Advances》。一篇由 Mang Gao 和 John M. Barrett 等人完成，聚焦小鼠自然觅食行为中的主动嗅闻动作；另一篇由 Andrew Sheriff 等人完成，通过新技术直接记录人类嗅球的电生理活动，揭示气味处理的时间结构。

在啮齿类动物中，嗅觉被认为是一种高度主动的感官，它们通过快速调整吸气频率和强度来控制进入鼻腔的气味分子流，从而影响传递至大脑的嗅觉信息。相比之下，人类呼吸节奏更慢，这长期引发一个问题：当气味采样速率相差巨大，人类为何仍能在速度和精度上接近啮齿类？

为攻克这一难题，两个研究小组从不同方向切入。一组在 Gordon M. G. Shepherd 实验室中，搭建了一个多相机机器人系统，精确追踪自由活动小鼠的呼吸、头部姿态和前爪动作；另一组则在 Christina Zelano 实验室中，利用微创高精度电极，直接记录健康志愿者嗅球在一次刻意吸气中的电活动。

小鼠行为实验最初源于一个细节观察：当小鼠抓取食物时，它们有时会短暂停顿，将食物抬至鼻前，在吞咽之前配合一次明显的单次嗅闻。这一动作不同于捕食时连续高速嗅闻，更像人类在入口前故意把食物凑近鼻子“闻一闻”。

通过多摄像机和呼吸监测的同步记录，研究团队发现，小鼠会精确地在食物接触鼻尖的瞬间完成那一次吸气，其呼吸节奏、头部位置和前爪运动形成高度协调的整体动作。这种单次嗅闻强度还会因食物吸引力而变化：面对不太可口的食物，小鼠嗅闻更为用力，仿佛在进行更审慎的“气味检查”。

进一步的干预实验表明，这种行为并非由气味本身的反射性触发。即便研究人员暂时干扰小鼠的嗅觉功能，这个“单次嗅闻”动作仍会出现；而当科学家抑制负责随意运动的运动皮层活动时，该行为才被真正阻断。这说明，小鼠是在主动选择进行一次嗅觉采样，而非被气味被动驱使。

论文作者指出，这是首次在自然觅食情境中，系统记录并证实啮齿类在气味采样上存在主动、非反射性的单次嗅闻行为。这种“快速气味检查”模式，与人类日常生活中常见的嗅觉行为高度相似，例如在进食前短暂将食物凑近鼻子一闻，以辅助决策。

在人类实验中，研究团队则试图回答另一个核心问题：在人类呼吸频率远低于啮齿类的情况下，人脑如何仍然能在极短时间内完成气味识别和分析工作。为此，科研人员通过一项由 Zelano 团队开发的微创技术，在志愿者进行一次刻意深吸时，直接测量嗅球的电生理活动。

结果显示，一次刻意吸气就足以在嗅球中触发 2–8 Hz 的低频脑电波——即所谓的 θ 波节律。这一节律频率区间与啮齿类在连续嗅闻时观察到的脑节律高度吻合，意味着不同物种在嗅觉处理中共享相近的时间尺度。

研究人员指出，人类大脑并不需要让每一个 θ 波周期都对应一次独立吸气。相反，一次缓慢吸气即可激活多个内部处理周期，使同一次嗅闻中的气味信息在大脑内部被快速拆分和整理。伴随 θ 波节律出现的更高速突发神经活动，则与进一步分析气味特征相关。

在啮齿类中，呼吸节律与 θ 波几乎完全同步，因而在记录中很难区分两者。在人类身上，由于吸气速率较慢，这种内在脑节律与外在呼吸动作被“拉开”，使科学家首次清晰看到 θ 波作为一个独立生成的时间框架，可以在单次自发吸气中被主动调动。

研究团队认为，这一发现的意义在于揭示了嗅觉并非被动接收信息，而是由大脑主动构建的感知过程。一次嗅闻不仅意味着空气进入鼻腔，还可以在时间上与身体动作、注意力、预期和决策同步协调，形成一个完整的感知行为单元。

从小鼠的单次嗅闻行为到人类嗅球中的 θ 波节律，这两项研究共同指向一个结论：哺乳动物在嗅觉信息采集和处理上沿用同一个根基系统，不同物种之间的差异更多体现在如何“使用”这一系统。小鼠通过快速循环呼吸不断驱动该系统，人类则在较慢的吸气节奏中压缩类似的时间结构。

在临床层面，这种跨物种的时间机制相似性也具有潜在应用价值。既往研究已指出，嗅闻方式和嗅觉能力的异常与自闭症、阿尔茨海默病和帕金森病等多种神经系统疾病密切相关。深入理解健康状态下嗅觉通路的节律与行为特征，将有助于科学界更早识别嗅觉系统的病理改变。

论文第一作者 Andrew Sheriff 表示，确认这套在进化中保留下来的嗅觉时间系统，有助于整体理解哺乳动物大脑的工作方式，从而在未来为相关疾病提供更明确的干预靶点：“只有先弄清楚大脑正常如何工作，我们才能在其发生故障时知道怎样修复。”