在自然环境中，气味通常并不像实验室中那样持续稳定地释放。风吹过草地、森林或城市街道时，气味分子会被撕裂成离散的“气味脉冲”，这些脉冲是随机、短暂且不连续的。那么，小鼠如何在几十次呼吸中整合这些碎片化的气味信号？
哈佛大学 Venkatesh N. Murthy 团队在 2026 年 4 月 29 日发表于 Nature Communications 的一项研究中，首次建立了间歇性嗅觉任务，并揭示了从嗅觉感觉神经元到大脑皮层的多层次处理机制。研究发现，小鼠依赖吸气相位来赋予气味脉冲更高权重，而皮层神经元尽管能够逐脉冲响应，却无法完全克服呼吸带来的感觉获取瓶颈。
研究亮点
- 新行为范式：研究团队开发了一种新型行为任务，小鼠学会根据几秒内随机出现的总气味脉冲数做出“多/少”的二元决策。
- 呼吸相位关键：吸气期间到来的气味脉冲对行为决策的贡献显著高于呼气期间的脉冲，这与嗅觉感觉神经元的反应幅度高度相关。
- 前梨状皮层编码：单个皮层神经元对每个气味脉冲产生随机、瞬态的反应，编码“当前证据”而非“累积证据”。
- 硬界限：即使经过学习，小鼠也无法完全克服呼吸相位对气味采样的天然限制——外周感觉获取的瓶颈直接传递到行为。
为何研究间歇性气味？
传统嗅觉研究通常使用持续、稳定的气味浓度，但自然界中的气味传递依赖湍流，导致气味浓度在时间和空间上剧烈波动，形成间歇性气味脉冲。动物（包括人类）正是在这种动态环境中依靠嗅觉导航、觅食和躲避天敌。论文共同第一作者 Luis E. Boero 和 Hao Wu 指出：“理解大脑如何解析间歇性气味信号，是连接实验室神经科学与真实世界嗅觉行为的关键一步。”
行为学实验：小鼠如何成为“气味脉冲计数器”
研究团队开发了一套全自动行为装置，让小鼠在端口嗅闻，随机接收不同数量的气味脉冲（如 1–20 个，每个脉冲持续 30 毫秒），总时长数秒。小鼠的任务是判断总脉冲数是否大于某一阈值（例如 >10 个），并通过左/右舔水报告决策。
实验结果：
- 小鼠很快学会任务，表现出惊人的时间整合能力，能够跨数十次呼吸累加信息。
- 相位依赖性：吸气相到达的脉冲对行为决策的贡献约为呼气相脉冲的 2–3 倍。
- 相位效应的强度与嗅觉感觉神经元（OSNs）的直接电生理记录高度一致：吸气时 OSN 反应更强且更可靠。
“小鼠并没有完美整合所有信息，而是对吸气期的气味赋予了更高权重。” 作者解释道。
神经机制：皮层是“证据显示器”，而非“累积器”
在行为记录的同时，研究团队使用高密度硅探针（Neuropixels）记录了前梨状皮层（anterior piriform cortex, aPC）的单个神经元活动。
主要发现：
- 许多神经元对每个气味脉冲产生快速、瞬态的动作电位爆发，但对同一脉冲的反应在不同试次中具有高度随机性（Bernoulli 样响应）。
- 从群体解码看，皮层信号在任一时刻编码的是当前吸入脉冲的强度信息，而非迄今为止累积的脉冲数。
- 尽管如此，解码器可以基于当前皮层群体状态直接读出迄今为止的总脉冲数，这表明信息在皮层群体活动中被隐性保留，但并没有一个专门的“积分器”神经元。
关键结论：皮层进行的是“证据的瞬时表示”，而非建立斜坡状的累积信号。呼吸相位对外周采样的限制，并未在皮层被后续算法所补偿——小鼠无法超越鼻子提供的低质量数据。
研究意义与未来展望
本研究对嗅觉理论以及类脑计算提出了重要启示：
- 嗅觉并非“慢感觉”：几十年来，嗅觉常被认为是缓慢的、需要长时间整合的感觉。但本研究表明，小鼠能够追踪几十毫秒级的离散气味脉冲，并对脉冲的时间模式（如吸气/呼气）表现出高度敏感性。
- 呼吸边界是硬边界：即使大脑皮层高度可塑，也无法突破外周嗅觉传入的信噪比瓶颈。这可能是一种跨物种的感觉获取经济学原则——优化能量分配，而不是追求完美采样。
- 对人工嗅觉的启示：目前多数电子鼻使用恒定气流采样。模拟呼吸相位依赖的权重学习，或许能提升在湍流环境中的气味追踪性能。
研究团队与资助信息
该研究由哈佛大学分子与细胞生物学系、脑科学中心、Kempner 自然与人工智能研究所等多单位合作完成。通讯作者为 Venkatesh N. Murthy（哈佛大学）。共同第一作者为 Luis E. Boero（现为 Pew 拉丁美洲学者）与 Hao Wu。研究得到了哈佛大学启动基金、NTT Research、美国国防部/英国国防部/工程与物理科学研究委员会联合 ARO 项目的资助（W911NF-16-1-0368）。
论文信息
原文标题：Perception and neural representation of intermittent odor stimuli in mice
作者：Boero, L.E., Wu, H., Zak, J.D. et al.
期刊：Nature Communications (2026)
DOI：10.1038/s41467-026-72445-1
开放获取：CC BY 4.0