記憶是有味道的，你有沒有類似的經曆?聞到一種熟悉的味道，思緒會跟著記憶回到以前的某個場景。太陽曬過的被子是家的味道，抱著被子仿佛沐浴在暖融融的陽光下;夏日梔子花的洗衣液香氣是初戀的味道，仿佛坐在單車後香氣隨風擺動;雨後初晴的泥土氣息是江南的味道，仿佛置身於西湖泛舟......這些氣味是否能夠激活你大腦塵封的記憶?氣味與情感記憶究竟是怎麼回事?人類大腦如何將嗅覺輸入轉化為不同的感知?
近日，來自東京大學的研究團隊在The Proceedings of the National Academy of Sciences(PNAS)上發表了一篇題為“Spatiotemporal dynamics of odor representations in the human brain revealed by EEG decoding”的研究(圖1)。為了研究嗅覺感知如何在人腦的空間和時間中出現，研究人員對腦電圖的10種不同感知氣味的反應進行了時間分辨多變量模式分析，並將由此產生的解碼精度與感知和源活動相關聯。
研究人員通過一種特製的氣味傳遞裝置收集數據，並基於機器學習的頭皮腦電圖分析大腦處理氣味的方式。這種特製的氣味傳遞裝置可以準確及時地傳遞10種不同的氣味。通過佩戴非侵入性頭皮記錄腦電圖帽後，評估受試者的愉快程度並記錄大腦內部的信號。接下來，該團隊基於機器學習的計算機分析來處理相關數據，以高時間分辨率查看大腦中處理氣味範圍的時間和地點。
研究發現：
■ 大腦中的氣味信息在處理的早期階段與感知無關，但當感知發生後，難聞的氣味比令人愉快的氣味處理得更快;
■ 氣味感知問題可能是神經退行性疾病的早期症狀，因此揭示更多氣味感知的神經基礎可能有助於將來更好地了解這些疾病。
嗅覺最易感知的是令人愉悅的氣味
人腦通過區域內和跨區域的動態計算將感覺輸入迅速轉化為感知。例如，在視覺係統中，已經證明低級視覺特征的神經表示向感知的轉換發生在圖像呈現後的幾百毫秒內，在此期間大腦區域的不同組合暫時或持久地展現信息。生理感覺方麵出現味覺刺激被迅速激活(包括初級味覺區域在內的多個皮層區域)，同時出現個人味覺的神經表征。然而，嗅覺具有與其他感官不同的多種感知和神經特征。與視覺刺激不同，單獨的氣味很少形成可辨別的物體，而嗅覺感知最突出的方麵是令人愉悅的氣味。而且氣味仍然能喚起除愉悅感之外的多種感知，例如果味和花香感知。
目前的研究中，研究人員基於頭皮記錄測試的10種具有不同感知質量的氣味源活動，調查了人腦中氣味表征的時空出現(圖2)。使用時間分辨表征分析在傳感器和源級別評估感知和大腦活動之間的表征相似性(圖3)，研究人員確定了氣味信息在嗅覺處理過程中的時間和地點(圖4)。研究人員為了捕捉所呈現氣味的感知特征使用了大量的語言描述符，並將評級質量視為整個嗅覺感知空間中感知結構的度量，包括從不愉快到愉快的愉快範圍，這是最嗅覺感知的顯著維度。此外，研究人員還獲得了單極愉快(中性到愉快)和不愉快(中性到不愉快)的感知評級，並分別評估了這些方麵的神經表征。通過這種方式，檢查了嗅覺感知的神經表征何時何地出現，以及它們在感知的不同方麵有何不同。
綜上表明，個體氣味的神經表征在350毫秒時最大程度地分離。感知表征出現在解碼峰值之後：從300毫秒開始的單極不愉快(中性到不愉快)，氣味開始後500毫秒，所有這些感知表征在600毫秒後達到最大值。根據解碼精度計算，在氣味開始後100到350毫秒時位於初級和次級嗅覺區域及其周圍。氣味表征隨後擴展到與情緒、語義和記憶處理相關的更大區域，這些後期區域的活動與感知顯著相關。
大腦對難聞氣味的早期感知是針對潛在疾病危險的預警
在當前的研究中，我們在判斷之前評估的神經處理階段。測量神經和行為延遲的未來研究將導致對嗅覺感知如何展開的更深入了解。當在更自然的條件下研究嗅覺加工時，也可以應用這種方法，例如，氣味帶有上下文線索，如氣味來源的知識，這可能會改變嗅覺加工的時間順序。
大腦對氣味的檢測發生在參與者有意識地感知氣味之前，直到幾百毫秒後才發生。“我們的研究表明，感知的不同方麵，特別是宜人的氣味是通過不同的空間和時間皮層處理出現的，”研究主導人加藤教授說道。
“大腦比感知更早判斷出不愉快的味道。”同樣來自農業與生命科學研究生院的項目副教授Masako Okamoto解釋道(圖5) 。當發出令人不快的氣味(如腐爛和腐臭的氣味)時，參與者的大腦最早可以在氣味出現的300毫秒將它們與中性或令人愉快的氣味區分開來。然而，直到500毫秒之後，大腦中才會出現令人愉悅的氣味(例如花香和水果氣味)，這與氣味的質量也被表征的時間差不多。從氣味開始後的600-850毫秒，大腦中與情感、語義(語言)和記憶處理相關的重要區域開始參與最多。
對難聞氣味的早期感知可能是針對潛在危險的預警係統。“每個感覺係統中樞神經係統的方式在感覺模式(氣味、光、聲音、味覺、壓力和溫度)上都不同。闡明大腦嗅覺感知出現的時間和地點有助於我們了解嗅覺是如何產生的。”加藤教授說道。“我們還認為我們的研究具有更廣泛的方法學意義。例如，頭皮記錄的腦電圖可以讓我們評估早在100毫秒時間段內的氣味表現。”
這種關於我們大腦如何處理氣味的高分辨率成像可能是未來更好地了解神經退行性疾病機製的墊腳石，例如帕金森病和阿爾茨海默病，其中嗅覺功能障礙是早期預警信號。該團隊將進一步深入探索相關研究機製。加藤教授說道：“在我們的日常生活中，氣味與視覺等其他感官信息一起被感知，每種感覺都會影響另一種感覺，雖然我們在目前的研究中單獨提出了嗅覺刺激，但我們認為在更自然的條件下分析大腦活動，例如用電影呈現氣味，也是很重要的。”也許 Smell-O-Vision(嗅覺電視)會再次卷土重來!
