Neue Studie enthüllt, wie das Gehirn organisiert Informationen über die Gerüche

Die premiere von dem Film Scent of Mystery in 1960 markiert ein einzigartiges Ereignis in die Annalen des Kinos: die erste und Letzte, Kinofilm-Debüt „in herrlichen Smell-O-Vision“. In der Hoffnung auf wow Kinogänger mit einer dynamischen olfaktorische Erfahrung, die neben der bekannten Brille von Bild und Ton, wählen Sie Theater waren ausgestattet mit einer Rube-Goldberg-esque Gerät, die Pipe, verschiedene Duftstoffe direkt in die Sitze.

Publikum und Kritiker schnell zu dem Schluss, dass die Erfahrung gestunken. Behaftet mit technischen Problemen, Smell-O-Vision war verrissen und wurde zu einem running gag, der hält einen einzigartigen Platz in der entertainment-Geschichte. Der flop des Smell-O-Vision, jedoch nicht abschrecken Unternehmer weiter zu jagen, das träumen liefern riecht, um Verbraucher, insbesondere in den letzten Jahren durch digitalen Duft-Technologien.

Solche Bemühungen haben generiert Schlagzeilen aber kaum Erfolg, was unter anderem auf einem beschränkten Verständnis von, wie das Gehirn übersetzt Geruch der Chemie, die in die Wahrnehmung von Geruch—ein Phänomen, das in vielerlei Hinsicht bleibt undurchsichtig Wissenschaftler.

Eine Studie von Neurobiologen an der Harvard Medical School bietet nun neue Einblicke in das Geheimnis der Düfte. Reporting in der Natur am 1. Juli die Forscher beschreiben zum ersten mal, wie die Beziehungen zwischen verschiedenen Gerüche codiert sind, in den olfaktorischen cortex, der region des Gehirns verantwortlich für die Verarbeitung der Geruch.

Durch die Bereitstellung von Gerüchen mit sorgfältig ausgewählten molekularen Strukturen und die Analyse der neuronalen Aktivität im wach-Mäuse, zeigte das team, dass neuronale Repräsentationen der Geruch in der Hirnrinde widerspiegeln Chemische ähnlichkeiten zwischen Gerüchen, so dass Düfte werden in Kategorien eingeordnet, die durch das Gehirn. Darüber hinaus werden diese Darstellungen können rewired durch sinnliche Erfahrungen.

Die Ergebnisse deuten auf eine neurobiologische Mechanismus, der erklären kann, warum Individuen mit gemeinsamen, aber sehr persönlichen Erfahrungen mit Geruch.

„Wir alle teilen einen gemeinsamen Bezugsrahmen mit Gerüchen. Du und ich beide denken, dass Zitrone und Limette riechen ähnlich und Stimmen zu, dass Sie riechen anders aus pizza, aber bis jetzt, wussten wir nicht, wie das Gehirn organisiert, die Art von Informationen,“, sagte senior Studie Autor Sandeep Robert Datta, außerordentlicher professor von Neurobiologie in der Blavatnik-Institut an der HMS.

Die Ergebnisse öffnen neue Alleen der Studie, um besser zu verstehen, wie das Gehirn wandelt Informationen über Geruch Chemie in der Wahrnehmung von Geruch.

„Dies ist die erste demonstration, wie den olfaktorischen Kortex kodiert Informationen über genau das, was es ist verantwortlich für das, was Geruch der Chemie, die grundlegende sensorische Eigenschaften der Geruch,“ Datta sagte.

Computing Geruch

Der Geruchssinn ermöglicht es den Tieren zu identifizieren, die Chemische Natur der Welt um Sie herum. Die sensorischen Neuronen in der Nase erkennt Geruchsmoleküle und relais Signale an den riechkolben, eine Struktur im Vorderhirn, in dem der erste Geruch der Verarbeitung Auftritt. Der riechkolben in Erster Linie übermittelt die Informationen an der piriform Rinde, die wichtigste Struktur der olfaktorischen Kortex, der für weitere umfassende Verarbeitung.

Im Gegensatz zu Licht oder Ton, Reize leicht gesteuert durch anpassen von Eigenschaften wie Frequenz und Wellenlänge, ist es schwierig, zu untersuchen, wie das Gehirn bildet neuronale Repräsentationen von der kleinen Moleküle übermitteln Geruch. Oft, subtile Chemische Veränderungen—ein paar Kohlenstoff-Atome hier oder Sauerstoff-Atome vorhanden—kann dazu führen, signifikanten Unterschiede in der geruchswahrnehmung.

Datta, zusammen mit der Studie der erste Autor Stan Pashkovski, wissenschaftliche Mitarbeiterin im Fach Neurobiologie an der HMS, und seine Kollegen näherten sich diese Herausforderung durch die Konzentration auf die Frage, wie das Gehirn identifiziert Verwandte, aber unterschiedliche Gerüche.

„Die Tatsache, dass wir alle denke, eine Zitrone und Limette riechen ähnlich bedeutet, dass Ihre Chemische make-up muss irgendwie hervorzurufen, ähnliche oder Verwandte neuronalen Repräsentationen in unserem Gehirn,“ Datta sagte.

Zu untersuchen, haben die Forscher einen Ansatz entwickelt, um quantitativ zu vergleichen, Geruch Chemikalien Analog, wie sich die Unterschiede in der Wellenlänge, zum Beispiel, kann verwendet werden, um quantitativ zu vergleichen, Farben des Lichts.

Sie verwendet maschinellen Lernens zu suchen, die bei tausenden von chemischen Strukturen bekannt, Gerüche und analysiert Tausende von verschiedenen Funktionen für jede Struktur, wie die Anzahl der Atome, molekulare Gewicht, die elektrochemischen Eigenschaften und mehr. Zusammen werden diese Daten ermöglichten es den Forschern, systematisch berechnen, wie ähnlich oder Verschieden von jedem Geruch war relativ zu einem anderen.

Aus dieser Bibliothek, das team gestaltete die drei Sätze von Gerüchen: ein Satz mit hoher Vielfalt; eine mit mittlerer Vielfalt, die Gerüche, aufgeteilt in entsprechende Cluster; und eine geringe Vielfalt, wo die Strukturen variiert nur durch stufenweise erhöht in der Kohlenstoff-Kettenlänge.

Sie dann ausgesetzt Mäusen zu verschiedenen Kombinationen von Gerüchen aus den verschiedenen sets und verwendet, multiphotonen-Mikroskopie zum Bild der Muster der neuronalen Aktivität in den piriform cortex und Bulbus.

Geruch Vorhersage

Die Experimente zeigten, dass die ähnlichkeiten in der Chemie Geruch spiegelten sich durch Gemeinsamkeiten in der neuronalen Aktivität. Verwandte Gerüche produziert korrelierten neuronalen mustern sowohl in der piriform cortex und Bulbus, wie gemessen, durch die überlappungen in den Neuronen-Aktivität. Schwach verbundene Gerüche, durch Kontrast, produziert schwach Verwandte Bewegungsmuster.

In der Rinde, im Zusammenhang Gerüche führten zu stärker gruppierten Muster der neuronalen Aktivität im Vergleich mit mustern in den riechkolben. Diese Beobachtung gilt in den einzelnen Mäusen. Kortikalen Repräsentationen der Geruch Beziehungen waren so gut korreliert, Sie könnten verwendet werden, um vorherzusagen, die Identität von einem held-out-Geruch in einer Maus, die auf Messungen beruhen, die in einer anderen Maus.

Weitere Analysen identifizierten eine Vielfalt von chemischen Eigenschaften, wie Molekulargewicht und bestimmte Elektrochemische Eigenschaften, die in Verbindung mit der Muster der neuronalen Aktivität. Gewonnenen Informationen aus diesen Funktionen war robust genug, um vorherzusagen, kortikale Reaktionen auf einen Duft, der einem Tier basiert auf Experimenten, die mit einen separaten Satz von Gerüchen in ein anderes Tier.

Die Forscher fanden auch, dass diese neuronalen Repräsentationen waren flexibel. Mäuse waren immer wieder eine Mischung von zwei Gerüche, und im Laufe der Zeit, die entsprechenden neuronalen Muster des diese Gerüche, die in der Rinde wurde stärker korreliert. Dies geschah auch, wenn die beiden Gerüchen hatten unterschiedliche Chemische Strukturen.

Die Fähigkeit des Kortex zur Anpassung generiert wurde, im Rahmen von Netzwerken von Neuronen, die selektiv Umformen Geruch von Beziehungen. Wenn die normale Aktivität dieser Netzwerke blockiert wurde, der cortex codiert riecht eher wie der Bulbus.

„Wir stellten zwei Gerüche, als ob Sie aus der gleichen Quelle und beobachtet, dass das Gehirn umorganisieren können, sich selbst zu reflektieren passive olfaktorischen Erfahrungen,“ Datta sagte.

Teil der Grund, warum Dinge, wie Zitrone und Limette Geruch gleichermaßen, fügte er hinzu, wahrscheinlich, weil Tiere der gleichen Spezies haben ähnliche Genome und daher ähnlichkeiten in der geruchswahrnehmung. Aber jeder einzelne hat die personalisierte Wahrnehmung als gut.

„Die Plastizität des Kortex könnte auch erklären, warum der Geruch ist auf der einen Seite invariant zwischen Individuen, und doch individuell abhängig von unseren einzigartigen Erfahrungen,“ Datta sagte.

Zusammen, die Ergebnisse der Studie zeigen zum ersten mal, wie das Gehirn codiert die Beziehungen zwischen Gerüchen. Im Vergleich zu den relativ gut verstanden, visuelle und auditive Cortex, ist es noch unklar, wie der olfaktorische cortex wandelt Informationen zum Geruch der Chemie, die in die Wahrnehmung von Geruch.

Sie identifizieren, wie den olfaktorischen Kortex auswirkt Karten ähnliche Gerüche bietet jetzt neue Erkenntnisse zu informieren, dass die Bemühungen zu verstehen und potenziell die Kontrolle der Geruchssinn, so die Autoren.

„Wir nicht vollständig verstehen, wie Strukturen zu übersetzen, um die Wahrnehmung noch,“ Datta sagte. „Es gibt keine computer-Algorithmus oder eine Maschine, der eine Chemische Struktur, und sagen Sie uns, was diese Chemikalie wird riechen.“