哺乳动物的大脑是如何进化出辨别气味的?
这个世界充满了数百万种不同的气味,但哺乳动物的大脑是如何进化来区分它们的是一个谜。
现在,来自索尔克研究所和加州大学圣地亚哥分校的两位神经科学家发现,至少有六种哺乳动物——从老鼠到猫——使用大脑中物种进化保留的回路,以大致相同的方式区分气味。
7月,索尔克神经生物学实验室荣誉教授、7月发表的这项研究的共同作者查尔斯史蒂文斯(Charles Stevens)表示,“这项研究可以提供对哺乳动物嗅觉脑回路组织原理的见解,这种原理可能适用于大脑的其他部分和其他物种。”《当代生物学》2019年第18期。
简而言之,研究表明,每个物种的嗅觉神经网络的三个组成部分大小大致相同,从鼻子中的受体开始,向大脑前方的神经元簇传递信号。反过来,嗅球将信号传输到“高级功能”区域进行气味识别,这就是所谓的梨状皮层。
“这三个阶段相互扩展,每个阶段的神经元数量之间的关系在不同物种之间是相同的,”加州大学圣地亚哥分校kav Li Brain and Brain Research Institute的助理项目科学家兼论文合著者Shyam Srinivasan说。“因此,如果你告诉我鼻子中神经元的数量,我就可以预测梨状皮层或球体中的数量。”
目前的研究基于2018年发表的同一二人组的研究,该研究描述了小鼠大脑如何使用所谓的“分布式回路”来处理和区分气味。例如,与视觉系统不同,信息以有序的方式传输到视觉皮层的特定部分。研究人员发现,老鼠的嗅觉系统依赖于分布在梨形皮层的连接组合。
在这篇论文之后,Stevens和Srinivasan试图确定小鼠中显示的分布式神经回路在其他哺乳动物中是否相似。在目前的工作中,研究人员分析了不同大小和类型的哺乳动物大脑。他们的计算和过去几年的研究已经被用来估计脑容量。Stevens和Srinivasan使用各种显微镜技术,使他们能够可视化在嗅觉回路中形成突触(连接)的不同类型的神经元。
“我们无法计算每一个神经元,所以我们做了一项调查,”斯里尼瓦桑说。“我们的想法是,你从不同的代表性区域收集样本,这样任何违规行为都会被抓到。”
新的研究表明,连接嗅球(肾小球)每个功能单元与梨状皮质神经元的突触的平均数量在物种之间是恒定的。
史蒂文斯说,“看到这些是如何保存下来的,真是太神奇了。”
具体来说,个体气味的识别与回路中发射神经元的强度和组合有关,可以比作钢琴的音乐。钢琴的音符从按下多个键以创建和弦中弹出,或者构成单词的字母排列在这一页上。
“对气味的辨别是基于放电率,即沿着神经元轴突传播的电脉冲,”Srinivasan说。“对于咖啡来说,一种气味可能会导致神经元反应缓慢,而同一神经元对巧克力的反应可能会更快。”
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