嗅觉如何引导我们的内心世界

随着科学家们不断地探索人类嗅觉的基本要素，现在，人们能够更好的理解嗅觉是怎么回事了——嗅觉是进入鼻子的气味分子，以及将其转化为大脑感知的单个神经元的作用结果。

当  德国卡尔·古斯塔夫·卡鲁斯大学医院的嗅觉研究员  托马斯·胡梅尔（Thomas Hummel）闻到一股未成熟的青番茄味道的时候，他脑海里浮现出了儿时的家中。倾斜的天花板下，是他与两个哥哥共用的卧室，这里有三张床、一张普通的桌子和一个橱柜。    “我妈妈把那些青色的西红柿放在橱柜里让它们成熟。” 他说：“它们的这种气味非常特殊。”  这种味道弥散着青草、绿色、辛辣和苦涩的味道的感觉。就像他  路过  市场上的一箱西红柿时的情绪感受。  ：  “在某种程度上，气味总是会勾起特定的情绪。”

嗅觉与我们大脑的情感和记忆中心紧密相连。薰衣草香水可能会唤起对亲密朋友的回忆。一口廉价伏特加的气味，可能会让你面露愁容。特定洗衣粉的味道，会让你想起祖父母使用它们时的场景，或许也会让您唏嘘落泪。

数十年来托马斯·胡梅尔（Thomas Hummel）一直研究嗅觉。他的同事Antonie Bierling称他为“欧洲嗅觉教皇”。

嗅觉与我们大脑的情感与记忆中心紧密相连。薰衣草香水可能会唤起对亲密朋友的回忆。一口廉价伏特加的气味，可能会让你面露愁容。特定洗衣粉的味道，会让你想起祖父母使用它们时的场景，或许也会让您唏嘘落泪。    

嗅觉也是我们最古老的感觉，如果对嗅觉进行追根溯源，或许可以追溯到数十亿年前的第一个化学感应细胞。但与其他感觉（  视觉和听觉  ）相比，科学家们对它知之甚少。这在一定程度上是因为人们普遍认为嗅觉并不是至关重要的生存技能；一个多世纪以来，人类一直被错误地认为“人类嗅觉不灵敏”。而且，嗅觉研究也不容易。    

“嗅觉是一种高维度感受。”费城莫奈尔化学感官中心的嗅觉研究员瓦伦蒂娜·帕尔马（Valentina Parma）说，“我们并不十分清楚化学物质如何转化成了感知。”但科学家们正在通过将这一过程分解为最基本的元素——从进入鼻子的气味分子到大脑中处理它们的单个神经元——来系统地表征和量化气味的含义。   

 一些新的数据库，包括最近发表在《科学数据》杂志上的一个数据库，正试图为分子气味感知建立一种共享的科学语言，即单个分子对我们来说“闻起来像什么”。研究人员最近在《自然》杂志上发表了一项研究中描述了这些气味分子是如何被翻译成一种神经语言，从而引发情绪和记忆的过程。

被误解百年的人类嗅觉

神经解剖学家保罗·布罗卡（Paul Broca）将人类定义为嗅觉缺失，或“无气味”，引发了百年的误解。

人类嗅觉不灵敏的想法来自一个百年的误解。

19世纪末，法国神经解剖学家保罗·布罗卡（Paul Broca）试图解释为什么人类有自由意志，而其他动物没有，尽管我们的大脑有相似之处。他指出，人类的嗅球——  主要  用来分析鼻闻到的信息的  脑区  ——与大脑的整体大小相比相对较小。相比之下，小鼠和马的嗅球相对于其大脑的其他部分来说是巨大的。    

于是他得出结论，嗅觉驱动动物的行为，尤其是非理性行为。人类可以选择对气味做出反应，但也可以忽略它们。这导致布罗卡将人类称为嗅觉丧失者，或无嗅觉者（anosmatique），而将其他一些动物称为嗅觉得（osmatique）。他认为，我们能够自由的  掌握  气味，这让人类成为更高级的生命形式。  “他得出了这个重要的结论。”罗格斯大学嗅觉研究员John McGann说，“然后他几乎在那之后就死了。”    

不久之后，英国解剖学家威廉·特纳爵士（Sir William Turner）误译了布罗卡的发现。对他来说，布罗卡得出的，是和嗅觉能力有关的结论，而不是与自由意志有关，并且说人类的嗅觉不好，而狗嗅觉好。    宾夕法尼亚大学研究嗅觉的博士后研究员Sarah Cormiea说：“通过一系列的误传，人们一直在重复这个想法，‘哦，人类不需要嗅觉’。”    

同样，弗洛伊德也和他们走了同样的道路。他若有所思的考察了整个20世纪的各种观点后声称嗅觉是一种原始的感觉，是远古时期动物性的残存。弗洛伊德的说法也不是不是完全不对。   

 研究人员认为哺乳动物的嗅觉可以追溯到30亿年前的古代海洋中的细菌。这些生物为了找到食物，以及为了能够移动到食物旁边，它们会检测周围环境的化学梯度。将细菌细胞膜上的蛋白质与水分子对接，触发的内部信号会促使生物体接近或远离不断增加的化学物质浓度。这种被称为化学感受（chemosensation）的能力是最基本的嗅觉形式，它与哺乳动物等复杂多细胞动物的嗅觉系统有许多相似之处。    

瑞典林雪平大学的动物学家Matthias Laska说，从这个意义上说，嗅觉是我们  最  古老的  环境交互界面。“单细胞没有视觉和听觉，但单个细胞已经可以对化学物质做出反应。”

现代的化学感知要复杂得多。2004年诺贝尔奖获得主、生物学家琳达·巴克（ Linda Buck）和理查德·阿克塞尔（Richard Axel）发现了哺乳动物气味受体的编码基因。他们研究表明，人类鼻子中有大约400种嗅觉受体，其中数百万种受体排列在鼻腔中。每种受体都是一种可以识别并附着多种气味物质的蛋白质——这些气味分子足够轻，可以从你的咖啡杯、潮湿的苔藓或腋窝里的微生物中蒸发出来，然后飘到空气中，进而飘到你的鼻腔。

玫瑰的香味大约由800种不同的分子组成。

当你闻到玫瑰的味道时，800多种不同的气味物质会进入你的鼻子，并与各种神经元细胞膜中表达的嗅觉的受体结合，这些受体会被激活后表现出其特定的模式，供大脑解读。    

拉斯卡（Laska）说，地球上有大约有580万种气味分子可供人类感知，尽管我们没有时间/手段来确定我们是否可以闻到所有这些气味。然而，我们往往低估了我们的嗅觉，因为我们缺乏相应的嗅觉的词汇描述他们。   

 德累斯顿工业大学研究嗅觉的安东尼·比尔林（Antonie Bierling）说。从视觉上看，我们可以把菠萝描述为一种裹在鳞状表皮里的黄色和绿色水果。但是你会如何描述菠萝的味道呢？   

 “这闻起来像菠萝，”Hummel说。“但我们不知道如何描述菠萝的气味。”我们的气味词通常与它们的来源有关，例如，闻起来有青草味，闻起来像湿狗的臭味或菠萝。他补充道：“是什么让菠萝成为了菠萝的气味？”    

描述气味的困难，至少在英语等一些语言中限制了我们研究人类感官的能力。研究人员们现在正在系统地解决这个问题。  Bierling  说，气味分子的化学结构与气味的关系在很大程度上是神秘的。“改变这一点的唯一方法就是创建数据。”

单个分子的气味

如果光有一定的波长，你会把你看到的描述为红色。如果声音有一定的频率，你会说，这是声音是F音阶。但是，没有类似的简单方法来描绘气味，这些气味通常以不同分子的形式进入我们的鼻子。更重要的是，由于每个人闻花束时的环境不同，而且他们过去对这种气味的体验也各不相同，因此同一束花的气味对每个人来说都是不同的。  

  “真正的气味是复杂而多维的。”科米亚（Cormiea）说，“人们还不清楚气味刺激（分子）带来的哪些特征会产生怎样的感知体验。”   

 为什么花闻起来像花的味道，是什么让奶酪闻起来像奶酪香？气味分子本身具有许多的维度都可以用来定义或影响它们的气味。它们是大还是小？它们与哪些其他分子相互作用？他们释放电荷吗？即使是彼此互为镜像的分子（即手征性 chirality ）闻起来也完全不同。例如，松树和柑橘的气味是柠檬烯分子的手性形式。    

Antonie Bierling在最近的一项研究中创建一个能够将气味词与气味分子相匹配的分子气味数据集。    过去有多项研究创建了气味分子数据库，以便将每个分子形状与气味描述相匹配。大部分研究都招募了专业的嗅觉专家，如香水师，有的只有少数参与者。但是绘制气味分子需要一个更大、更多样化的数据集，其中包括来自非专家的嗅闻数据，以更好地反映高度主观和情境驱动的真实情况。    

2016年发表的一项研究要求55名没有受过专业训练的健康人闻450多种物质。这是一项“巨大的努力”，Bierling说，他没有参与其中。研究人员发现，普通人的嗅觉和那些拥有灵敏嗅觉的人一样，有着一些通用的化学规律——分子中的硫原子越多，分子就越有腐烂、大蒜味或鱼腥味。分子越大、越复杂，人们对它的感知就越愉快。但研究人员还发现，不同的人可以用截然不同的方式描述同一种气味。

分子越大、越复杂，人们对它的感知就越愉快。

Bierling和她的同事们希望深入了解这一发现，并构建一个更加多样化的数据集。他们让1200多人评估了74种气味剂，每种气味剂都由单一的分子组成。研究人员向每位参与者分发了10个容器，每个容器都装有不同的单分子气味剂，并要求被试用他们自己的话描述这些气味；之后，他们再次闻了闻气味，并用设定的描述符对气味进行了评定，包括气味的强烈程度、愉悦程度、刺激程度、温暖程度、寒冷程度或可食用程度。   

 尽管这些研究的主要目标是收集数据，但Bierling和她的团队进行了一些分析，得出了一个核心结论：“数据集最重要的发现是——真正意识到了嗅觉感知的差异性。”她说。例如，约250名参与者描述乙酸苄酯闻起来像指甲油去除剂；约170人表示，它闻起来像香蕉或其他水果。   

 “两者实际上都是正确的，”她说。Bierling说：“在我看来，这实际上不仅仅是噪音。乙酸苄酯存在于指甲油去除剂和香蕉中，人类在特定的环境中会了解某种分子。如果你在一个每天吃三次香蕉的文化中长大，那么你就知道这两种味道没什么不同。但是，你生活在从未见过香蕉的地方的话，就是另外一回事了。”

Bierling的团队并不是唯一采用这种方法的研究团队。莫奈尔化学感官中心与谷歌合作，使用气味分子数据库创建了一个人工智能工具，可以预测分子应该闻起来是什么样的。他们于2023年发表在《科学》杂志上的一项研究中发现，他们的模型可以预测大多数气味，就像人类仅通过观察气味物质的分子结构一样。莫奈尔中心的研究人员与其他人合作，也开始将不同物种和实验的各种数据集收集到一个名为“Pyrfume”的大型气味数据库中。

 “这些努力是一件大事。”没有参与这项研究的McGann说，“它真的开始确定……气味结构到气味感知的基本地图是怎样的，至少在人类中是这样。”不仅如此，神经科学家正试图理解为什么大脑会以这种方式感知气味。

大脑制造了气味

化石证据表明，大约5亿年前，最早的脊椎动物已经进化出专门用于嗅觉的大脑区域。随着生物体从水过渡到陆地，嗅觉受体的数量开始增加，鼻孔等支撑结构也进化了。“大脑是围绕嗅觉组织的。”Hummel说，“一开始是呼吸，然后是气味，然后是大脑的其他部分。”  

我们知道丘脑是较新进化出来的脑区，可以将感官信息传递给大脑的其他部分进行处理。但是，其他感官不同，嗅觉信息  不会经过丘脑，帕尔马说：“我们闻到的很多东西并没有真正进入我们的意识。”  

相反，胡梅尔说，气味是在潜意识层面起作用的。“它改变了你的行为，但以一种你没有真正注意到的方式。” 当你意识到这些的时候，其效果可能就颇具戏剧性，气味可以引发一阵好或坏的感觉；你甚至可能无法确定原因。而且它移动得很快：气味信号从鼻子传到杏仁核，大脑的情绪中心，以及海马体，它的记忆中枢，只需要几个突触那么点的路径。

“除了嗅觉之外，其他感觉系统都无法像嗅觉那样在情绪和记忆之间建立直接的联系。”拉斯卡说，“这就是为什么气味刺激唤起的记忆会如此生动，甚至可以唤起童年时期的记忆。” 

我们对气味感知的大部分理解都来自于动物研究或人类的非侵入性大脑研究。这些人体研究只能在神经元群体水平上产生低分辨率的结果。

神经生物学家Florian Mormann研究大脑中的单个神经元如何处理信息，如气味。

最近，波恩大学的神经生物学家弗洛里安·莫曼（Florian Mormann）和他的团队以更高的分辨率瞥见了这一过程：即单个神经元的活动。这些罕见的记录来自癫痫患者的大脑活动，在进行术之前，这些患者同意将电极植入到他们的大脑。莫尔曼的团队让参与者嗅闻各种气味，其中含有甘草和咖啡等气味，并监测已知的、与嗅觉的有关脑区神经元活动。    

相关的神经元的活动记录能够归结到处理气味的几个主要大脑区域，这项研究证实了动物研究的结果。一旦气味进入鼻子，它们就会激活通往嗅球的神经通路，嗅球首先分析信息。然后，信号传递到初级嗅觉皮层的神经元——即负责编码气味特征的梨状皮层；除此之外还会传递到杏仁核，杏仁核有助于对气味产生情绪反应（比如气味是好是坏）。然后，信号传递到次级嗅觉皮层，其中包括海马体，它有助于识别和命名气味。    研究小组发现，梨状皮层中的神经元更好地编码气味的化学特性，而海马体中的神经元则更好地编码其感知特性。其他大脑区域也参与了这个嗅觉网络，包括第三嗅觉皮层，在那里信息与其他感官的信息相结合。

参与者嗅闻过气味笔后，研究人员向他们展示了与每支气味笔相对应的图片。他们发现梨状皮层的神经元不仅对气味分子有反应，而且对与气味相关的图片或文字也有反应。换句话说，这些神经元是概念神经元，通常对甘草这样的抽象概念做出反应，无论它是如何呈现的。莫尔曼说：“能够在梨状皮层中发现概念神经元（concept neurons）是一件出乎意料的事情。”。这表明，这个以前主要与气味处理相关的大脑区域也参与了将感官信息整合到概念中的过程。

这一发现与视觉科学家关于视觉处理领域的发现相呼应。这些区域不仅在我们看到一个物体时激活，而且在我们想象或命名该物体时也会激活。莫尔曼说，有了气味，“一定有类似的事情发生了”。因此，读到“甘草”这个词或看到它的图片也会促使我们想象甘草的气味。

这项研究还揭示了人类大脑感觉装置的一个更大的真相：我们不仅基于现实来感知世界，还基于经验和期望感知之。气味的深刻个人性质说明了它对我们日常互动和关系的重要性。

单个分子的气味

从古代细菌时代到早期与恐龙共存的哺乳动物，再到走在城市街道上的商人，气味对生存至关重要。我们用它来判断某物是否熟悉，是否危险，是否可食用。拉斯卡说：“我们越来越明白嗅觉在人类行为中起到的重要作用。”

虽然我们不像猫一样在缝隙中通过嗅觉寻找老鼠，但我们的嗅觉是人类体验的核心。气味与味道交织在一起：味蕾为我们提供了咸、辣、甜等广泛的体验，而淋上香醋的沙拉之间细微差别则来自鼻子。气味对于我们与家人和社交圈的互动也很重要，研究表明，气味会影响我们选择与谁交朋友或浪漫伴侣。

叙利亚调香师阿纳斯·阿巴斯等专家的鼻子已经在识别气味的训练过程中成为了精确感受装置。这种训练涉及鼻子中的受体和大脑中的神经元。

但是，也许最重要的是，它有助于我们发现威胁。Bierling说：“如果你没有适当的嗅觉……如果你的房子着火了，或者你的宝宝的尿布满了，你就闻不到。如果你的食物腐烂了，你也闻不到味道。”

尽管人们对我们嗅觉能力的质量有过百年误解，但研究越来越多地表明，人类嗅觉实际上很不错。拉斯卡说：“我们的人类嗅觉被严重低估了——不仅与狗相比，而且与老鼠和其他以特别敏感著称的物种相比。”几十年来，拉斯卡一直在比较不同物种的嗅觉。这取决于你让我们闻什么。

例如，与狗相比，人类对某些气味更敏感，尤其是果味和花香的气味，狗“被誉为宇宙的超级鼻子，这几乎是神话般的声誉，”拉斯卡说。狗是食肉动物；进化压力并没有让它们对水果气味敏感。但它们对特定的脂肪酸高度敏感，例如，构成潜在猎物体味的脂肪酸。“我会和朋友一起去挑选酒，”McGann说，“但我更喜欢让狗在树林里找到尸体。”

Cormiea说，最近的数据和研究表明，“嗅觉系统中可用的结构化信息比以前想象的要多得多。”。这让她希望我们能够以数字化的形式进一步系统地理解鼻子的嗅觉。

“我们大多数人的房子里都有一个最简陋的电子鼻，那就是烟雾探测器。”Bierling说，“这是一个电子鼻，因为它可以确定周围环境中的化学物质，并警告你。”

研究人员更进一步的想法是通过数字化嗅觉，创建一个外部系统，可以检测到人类可能不太敏感的气味，比如从皮肤上蒸发的分子，这可能表明疾病的存在。疾病会改变体内的炎症标志物，使你的气味略有不同。这些分子还包含有关激素、营养和整体健康的关键信息。“这种体味中有很多加密的东西，”Bierling说，他的团队正在努力了解体味是如何被感知的。

数字鼻或许还能帮助那些因衰老、神经退行性疾病或新冠肺炎等特定疾病而失去嗅觉的人。这类设备甚至可能进一步帮助这些人重获嗅觉体验。胡梅尔说：“这将是一项巨大的成就，能够帮助人们在年老时也能保持嗅觉。”

由于我们的嗅觉很大程度上是潜意识的，调因此在调查中，当被问及若必须失去一种感官会选择哪种时，许多人会选择嗅觉。胡梅尔说：“但是，我都每天都会遇到一些人坐在我的办公室里，诉说他们如何与这个世界失去了联系 。”他们再也闻不到自己孩子或配偶的气味，无法察觉变质食物的馊味或危险的烟味，也再也无法触及某些记忆。

“我知道记忆还在，但我不再拥有打开它的钥匙了，”胡梅尔说道。“从很多方面来说，没有嗅觉的生活变得格外没有安全感，可这种感受只有在失去嗅觉后才会体会到。”