在自然环境中，气味很少像实验室里那样稳定释放。风吹过草地、森林或城市街道时，气味分子被撕扯成一个个离散的“气味脉冲”，随机、短暂且不连续。小鼠如何在几十次呼吸中整合这些碎片化信号？ 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。关键发现：小鼠依赖吸气相位来赋予气味脉冲更高权重，而皮层神经元虽能逐脉冲响应，却无法超越呼吸带来的感觉获取瓶颈。
研究亮点速览
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新行为范式：小鼠学会根据几秒内随机出现的总气味脉冲数做出“多/少”二元决策。
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呼吸相位关键：吸气期间到来的气味脉冲，其行为权重显著高于呼气期间的脉冲，与嗅觉感觉神经元反应幅度高度相关。
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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”。
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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“断续”气味？从湍流到真实嗅觉
传统嗅觉研究多使用持续、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、躲避天敌。
“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。”论文共同第一作者 Luis E. Boero 与 Hao Wu 指出。
行为学：小鼠成为了“气味脉冲计数器”
团队开发了一套全自动行为装置：
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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。
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任务：判断总脉冲数是否大于某一阈值（例如 > 10 个），左/右舔水报告决策。
结果：
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小鼠很快学会任务，且表现出惊人的时间整合能力——可跨数十次呼吸累加信息。
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相位依赖性：吸气相到达的脉冲对行为决策的贡献≈呼气相脉冲的 2–3 倍。
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相位效应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、更可靠。
“小鼠并没有完美整合所有信息，而是给吸气期的气味‘打了折’。” 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，作者使用高密度硅探针（Neuropixels）记录了前梨状皮层（anterior piriform cortex, aPC） 的单个神经元活动。
他们发现：
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很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）。
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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，以及迄今为止累积的脉冲数？不——当控制当前脉冲强度后，过去脉冲的历史信息并未被显式表示为“累积变量”。
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相反，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：皮层是在进行 “证据的瞬时表示” ，而非像某些决策任务中看到的那样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。
评论与意义：对嗅觉理论以及类脑计算的启示
本研究带来了几个重要挑战与延伸：
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嗅觉并非“慢感觉”：几十年来，嗅觉常被认为是缓慢的、整合时间很长的感觉。但本研究表明，小鼠能够追踪几十毫秒级的离散脉冲，且对脉冲的时间模式（如吸气/呼气）极度敏感。
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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的经济学原则——优化能量分配，而不是追求完美采样。
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对人工嗅觉/机器人：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。
作者与资助
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 Luis E. Boero（现为 Pew 拉丁美洲学者）与 Hao Wu。
资助来源包括：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（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