一缕咖啡香、烟味、雨味或变质牛奶的气味，感觉上瞬间发生，毫不费力。但在鼻腔内部，这种简单行为依赖于生物学中最复杂的感官系统之一。
科学家早已知道，嗅觉依赖于一个庞大的受体库，每个受体针对不同的气味分子。但他们一直未能找到像视觉、听觉和触觉那样清晰的空间组织秩序。鼻子似乎以一种更松散、或许更混乱的系统运作。
如今，科学家发现这个系统比他们想象的要有序得多。
在发表于《细胞》期刊的两项新研究中，研究人员以前所未有的细节绘制了小鼠鼻腔内嗅觉受体的地图。他们发现，大约1100种受体类型并非随机散布在鼻腔组织中。相反，每种受体往往占据一个可预测的位置，形成从鼻腔顶部到底部相互重叠的条纹。同样的秩序似乎也反映在最先处理气味的大脑区域——嗅球中。
“空间信息组织是所有感官系统的主要组织原则，而这一点正是迄今为止让嗅觉显得极其怪异的原因，”哈佛大学神经生物学家、其中一篇新论文的作者桑迪普·罗伯特·达塔告诉《纽约时报》。“在某种程度上，我们揭开了这张长期失落的嗅觉地图。”
科学家无法绘制地图的感官
科学家早已了解身体如何组织其他感官。在眼睛中，相邻细胞处理视觉世界中的相邻点。在耳朵中，不同区域检测不同声音频率。在皮肤上，触觉映射到身体表面。
嗅觉是个例外。
小鼠拥有约2000万个嗅觉神经元和超过1000种气味受体。人类数量较少，但仍有数百种。每种受体可检测一组不同的气味分子，每个嗅觉神经元通常只表达一种受体类型。然而，嗅觉依赖于一种组合编码，即有限的受体集合（人类约400种）共同识别几乎无限的气味变化。2014年的一项研究发现，人类鼻子可以区分一万亿种气味。
此前，研究人员认为这些受体在鼻腔内分为几个宽泛的区域。在这些区域内，受体的选择似乎基本上是随机的。
“30年来，我们一直教学生：小鼠嗅觉上皮分为几个宽泛的区域，区域内受体选择本质上是随机的，”卡罗林斯卡学院心理学家和实验神经科学家约翰·伦德斯特伦告诉《自然》杂志。
新研究指出，这个模型过于粗糙。
“这是一篇里程碑式的论文，推翻了关于嗅觉组织的教科书基础模型之一，”伦德斯特伦补充道。
一千条重叠的条纹
达塔的团队使用两种强大工具构建地图。首先，单细胞测序显示了每个神经元正在使用哪些受体基因。然后，空间转录组学揭示了这些神经元在鼻腔组织中的位置。
规模巨大：来自300多只小鼠的大约550万个神经元。该科学论文报告称，每个嗅觉受体沿鼻腔顶部到底部轴都有一个独特的平均位置，形成了刻板的受体地图，而不是几个粗略的区域。
“每种受体在鼻腔中占据一个特定位置。由于鼻腔中有上千个位置，每种受体基本上在一条与其它受体条纹重叠的条纹中表达，形成上千条重叠的条纹，”达塔告诉《自然》杂志。
这并不意味着鼻子像方格纸一样工作，但每种受体的平均位置在不同小鼠之间极其一致。
这一发现让嗅觉更接近其他感官。它表明，组织性在鼻子中同样重要，就像在眼睛、耳朵和皮肤中一样。
地图是如何构建的
团队还发现了地图背后的可能机制：视黄酸，一种与维生素A相关的分子，有助于引导发育。
视黄酸在鼻腔内形成梯度。这个梯度似乎告诉发育中的嗅觉神经元它们所处的位置。基于这个位置，细胞激活一个更广泛的基因程序，并更倾向于选择某些受体。
当研究人员增加或阻断视黄酸信号时，地图发生了偏移。增加视黄酸使细胞朝向一种空间身份移动，阻断则将其推向相反方向。
“我们证明，发育可以通过这种机制，将上千种不同的嗅觉受体组织成一张极其精确的地图，并且在不同动物之间保持一致，”达塔在一份新闻稿中说。
这一点尤其重要，因为嗅觉神经元不断被替换。与许多神经元不同，嗅觉神经元在整个生命过程中不断再生。因此，鼻子必须一次又一次地重建它的地图。
新研究表明，它通过将位置作为引导来实现这一点。年轻的神经元首先读取它在鼻腔组织中的位置，然后缩小它可能表达的受体范围。
鼻子与大脑的匹配
地图并未止步于鼻子。
嗅觉神经元将信号发送到嗅球——大脑中第一个处理气味信息的区域。在那里，表达相同受体的神经元汇聚成称为嗅小球的小型结构。
达塔的团队发现，鼻子地图和大脑地图是吻合的。在鼻腔中占据特定位置的受体投射到嗅球中可预测的位置。
“这意味着鼻子和大脑中的地图并非系统需要解决的两个独立问题，而是同一发育逻辑的两种读数，”伦德斯特伦告诉《自然》杂志。
这一发现表明，嗅觉系统使用单一组织原则来构建鼻子中的受体地图和大脑中的气味地图。
为何重要
这项研究是在小鼠而非人类身上进行的。科学家仍需证明人类鼻子是否具有类似的地图。
但如果确实如此，这一发现可能在更广泛的医学科学中具有实用价值。嗅觉丧失可能由病毒感染、头部损伤、衰老、化学物质暴露和神经退行性疾病引起。COVID-19曾让嗅觉丧失成为广泛关注的公共健康问题。
嗅觉帮助人们检测烟雾、煤气泄漏和变质食物。它还能塑造味觉、食欲、记忆、情绪和心理健康。
“嗅觉对人类健康有着深远而普遍的影响，因此恢复嗅觉不仅是为了愉悦和安全，也是为了心理健康，”达塔在哈佛大学的新闻稿中说。“不了解这张地图，我们就注定无法开发出新的治疗方法。”
这张地图还可能影响未来的干细胞疗法。如果医生想恢复嗅觉，他们可能需要重建鼻腔完整的空间布局，而不仅仅是在一个位置添加新的嗅觉神经元。
“这意味着那些干细胞必须占据鼻腔的整个空间范围才能修复鼻子。你不能仅仅在一个位置注入干细胞就指望嗅觉恢复，”达塔告诉《自然》杂志。
多年来，嗅觉看起来像是感官中的异类。现在看来，科学家只是缺少了那张地图。
这些发现发表在《细胞》期刊的两项互补研究中（研究一和研究二）。
本故事最初发表于ZME Science。想每天变得更聪明吗？订阅我们的通讯，随时了解最新科学新闻。
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