神经元之间广泛的联系有助于大脑辨别气味

你能分辨玫瑰和丁香的香味吗?如果是这样，你要感谢大脑的梨状皮质。与大脑的许多部分相比，梨状皮质——让动物和人类处理有关嗅觉的信息——看起来就像一团杂乱的神经元细胞之间的连接。现在，索尔克研究所的研究人员已经阐明，梨状皮质的随机性实际上对大脑如何区分类似气味至关重要。

索尔克分子神经生物学实验室荣誉退休教授、这项新研究的合著者查尔斯•史蒂文斯(Charles Stevens)表示:“标准的范式是，大脑中的信息是由活跃的细胞编码的，但嗅觉系统并非如此。”“在嗅觉系统中，问题不在于哪些细胞是活跃的，而在于有多少细胞是活跃的，以及它们有多活跃。”

这项于2018年7月17日发表在《比较神经学杂志》(Journal of Comparative Neurology)上的新研究，除了能更好地理解气味是如何处理的，还能让我们更深入地了解大脑的某些部分是如何组织信息的。

当气味分子——任何一种特定气味的特征——与人鼻子中的受体结合时，信号就会传递到嗅球，然后从嗅球传到梨状皮质。在其他的感觉系统中，比如视觉系统，信息在通过大脑时保持着严格的顺序。例如，眼睛的特定部位总是将信息传递给视觉皮层的特定部位。但研究人员早就知道，这个顺序在梨状皮质中缺失。

加州大学圣地亚哥分校Kavli大脑与心智研究所的助理项目科学家希亚姆·斯里尼瓦桑(Shyam Srinivasan)是该研究的共同作者之一。“任何特定的气味都会激活大约10%的神经元，这些神经元似乎分布在梨状皮质的各个部位。”

为了弄清楚梨状皮质是如何编码气味信息的，以及它们之间的联系是否真的是随机的，斯蒂文斯和斯里尼瓦桑利用各种染色和显微镜技术分析了9只老鼠的梨状皮质，这些技术可以让他们看到大脑区域中不同的细胞类型。他们的第一个目标是量化梨状皮质细胞的数量和密度。

“这真的像是一项调查，”斯里尼瓦桑解释说。“我们对不同代表性区域的细胞进行了计数，并对整个区域的细胞进行了平均。”

他们的结论是，老鼠的梨状皮质中大约有50万个神经元，它们平均分布在较大但密度较小的后梨状皮质和较小但密度较大的前梨状皮质之间。

使用这个初始神经元密度和数量的信息,从先前的研究以及知识在嗅球神经元的数量和多少神经元连接或梨状皮层synapses-connect嗅球,两人的研究能够得出一个惊人的发现:每个神经元在嗅球连接到几乎每一个梨状皮层的神经元。

史蒂文斯说:“梨状核中的每个细胞基本上都从每个气味受体那里获取信息。”“不是一个‘咖啡气味’神经元，而是一大堆咖啡细胞神经元。””,而不是一个受体检测一个气味和照明的神经元集群之一,他解释说,每个气味指纹的基于强度connections-while咖啡的味道可能激活几乎一样的梨状皮层神经元巧克力的气味,他们会激活每个神经元在不同程度上。

“这个系统的一个优点是它可以编码非常复杂的信息，”斯里尼瓦桑说。“这也使得它对噪音非常敏感。”如果一个神经元发出了一个“噪声”信号——比它应该发出的信号强或弱——那么这个噪声就会被同时发出更准确信号的许多其他神经元抵消掉。

研究人员想要在其他动物身上重复这项工作，看看相似和不同之处在哪里。他们还对大脑其他区域的研究感兴趣，这些区域长期以来被认为是由看似随机的连接控制的，以观察它们是否以同样的方式组织起来。

史蒂文斯和Srinivasan也在《神经科学杂志》上的一篇论文出来7月13日使用果蝇嗅觉学习电路来改善当前的深度学习算法,是由大脑和思维研究所Kavli加州大学圣地亚哥分校和美国国家科学基金会。