人类的嗅觉非常复杂，使用数十亿个神经元来识别各种气味。相比之下，果蝇等昆虫只有 10 万个神经元，但仍能有效处理复杂的气味，完成寻找食物、交配和躲避捕食者等生存任务。在一项新的研究中，来自加州大学圣地亚哥分校的研究人员揭示了苍蝇拥有的简单而高效的系统，这些系统使它们能够克服有限的感官能力。
这项研究的第一作者、物理学博士生帕尔卡-普里（Palka Puri）说："我们的工作揭示了昆虫用来对复杂嗅觉刺激做出反应的感觉处理算法。研究表明，昆虫感觉神经元的专门组织是解开谜题的关键--实现了一个重要的处理步骤，促进了中枢大脑的计算。"Puri和他的合著者，博士后学者Shiuan-Tze Wu、副教授Chih-Ying Su和助理教授Johnatan Aljadeff在《美国国家科学院院刊》上发表了这些发现。
这项新研究挑战了以前关于中枢大脑是果蝇气味处理的主要场所的假设。相反，它表明昆虫感官能力的有效性依赖于其感官系统外围的"预处理"阶段，该阶段为稍后在中枢脑区进行的计算准备气味信号。
加州大学圣迭戈分校的科学家们提出了一种解决方案，解决了果蝇如何利用简单而高效的系统识别气味的问题。图片来源：加州大学圣地亚哥分校阿尔杰德夫实验室
果蝇通过触角来感知气味，触角上长满了能探测周围环境元素的感觉毛。每根感觉毛通常有两个嗅觉受体神经元（或称 ORN），它们会被环境中不同的气味分子激活。耐人寻味的是，同一根感觉毛上的嗅觉受体神经元通过电相互作用紧密耦合在一起。这种情况就好比两根载流导线紧靠在一起。电线携带的信号通过电磁相互作用相互干扰。
然而，就果蝇的嗅觉系统而言，这种干扰是有益的。研究人员发现，当果蝇遇到气味信号时，感受器之间的特定干扰模式能帮助果蝇迅速计算出气味的"要点"："它对我是好是坏？"外围的这一初步评估结果随后被传递到果蝇大脑中枢的一个特定区域，在那里，有关外界气味的信息被转化为行为反应。
研究人员发现，当果蝇遇到气味信号时，嗅觉感受器之间的特定干扰模式能帮助果蝇快速计算出气味的"要点"。资料来源：Palka Puri，加州大学圣地亚哥分校
研究人员构建了一个数学模型，说明气味信号是如何通过 ORN 之间的电耦合进行处理的。然后，他们分析了蝇类大脑的线路图（"connectome"），这是霍华德-休斯医学研究所研究园区的科学家和工程师生成的一个大规模数据集。这样，研究人员就能追踪来自感官外围的气味信号是如何整合到大脑中枢的。
生物科学学院教师阿尔杰德夫说："值得注意的是，我们的工作表明，最佳气味混合--每根感觉毛发最敏感的精确比例--是由耦合嗅觉神经元之间的基因预定大小差异决定的。我们的工作凸显了感觉外围在中枢大脑处理先天意义气味和学习气味方面意义深远的算法作用。"
阿尔杰德夫用一个形象的比喻描述了这一系统。果蝇就像一台可以检测特定类型图像的专用相机，它已经开发出一种基因驱动的方法来区分图像，或者在这种情况下，区分气味混合物。他说："我们发现，果蝇的大脑具有从这种非常特殊的相机中读取图像的线路，然后启动行为。"
为了得出这些结果，研究人员将苏的实验室以前的研究成果进行了整合，这些研究成果描述了果蝇嗅觉系统中ORNs在感觉毛中的保守组织。在每只果蝇身上，相同气味分子所携带的信号总是相互干扰，这一事实向研究人员表明，这种组织是有意义的。
苏说："这项分析表明，大脑高级中枢的神经元如何利用外围的平衡计算。真正将这项工作提升到另一个高度的是，这种外围预处理能够在多大程度上影响高级大脑功能和电路操作。"
这项工作可能会启发人们研究外围器官处理过程在其他感官（如视觉或听觉）中的作用，并有助于为设计具有解释复杂数据能力的小型检测设备奠定基础。
编译来源：ScitechDaily