一项最新研究揭示，每一次有意识的嗅探行为，都可能激活一个在数百万年演化中得以存续的古老大脑系统。

当一只小鼠寻找食物时，它可能每秒嗅探数次。而一个人检查哈密瓜是否成熟时，通常会凑上去缓慢而有意识地吸一口气。这两种行为看起来截然不同，但新的研究表明，大脑处理它们的方式可能惊人地相似。

美国西北大学（Northwestern University）的两项互补研究发现，小鼠能够进行单一的、有意的嗅探，而人类则利用与快速嗅探啮齿动物高度相似的脑电节律来处理嗅觉信息。这些发现共同指出，即使哺乳动物的呼吸模式和行为存在显著差异，它们也共享一个用于通过嗅觉收集信息的古老神经系统。

这两项研究成果同期发表在国际著名期刊《科学进展》（Science Advances）上。

“真正的相似之处在于这种单一的嗅探，但这不仅仅是简单的嗅探，”该研究的通讯作者、西北大学范伯格医学院神经科学研究助理教授约翰·M·巴雷特（John M. Barrett）指出，“小鼠甚至在嗅探时会移动它们的爪子，这表明它是自主的；它们是故意为之。”

嗅觉始于呼吸，但它并非一种被动的感官。动物会主动控制何时以及如何吸气，从而改变气味分子进入鼻腔的流量，并塑造传递给大脑的信息。啮齿动物以其快速嗅探而闻名，而人类的呼吸则缓慢得多。这引发了一个长期存在的疑问：当两种物种的采样速率如此不同时，它们如何能以相似的速度和精度识别气味？

西北大学的两个研究团队从相反的方向着手解决这一难题。一个小组研究了小鼠在检查食物时如何协调呼吸和运动；另一个小组则直接记录了人类嗅球的活动，嗅球是大脑中最早接收来自鼻腔神经信号的结构。他们的研究结果最终汇聚到同一个结论：人类和小鼠似乎都依赖于一个共享的嗅觉信息处理计时系统。

这种相似性至关重要，因为嗅探模式的改变已与自闭症、阿尔茨海默病和帕金森病等疾病相关联。理解健康的嗅觉回路如何运作，有助于研究人员识别这些系统何时开始出现故障。

“了解我们拥有这套演化上保守的机制，有助于我们理解哺乳动物大脑的工作方式，这最终可能帮助我们理解它们在病理状态下如何失常，”该研究的第一作者安德鲁·谢里夫（Andrew Sheriff）表示，“它帮助我们了解大脑如何工作，以便在它出现问题时知道如何修复。”

小鼠研究：揭示自主的“单次嗅探”行为

小鼠研究始于一个容易被忽视的微小行为。当小鼠处理食物时，它们有时会停下来，将食物举到鼻子前，然后再进食。它们没有继续通常的快速嗅探，而是似乎进行了一次精心计时的呼吸。

西北大学范伯格医学院神经科学系的戈登·M·G·谢泼德（Gordon M. G. Shepherd）实验室的研究人员与宾夕法尼亚大学和佛罗里达大学医学院的合作者共同展开了调查。由博士后学者芒·高（Mang Gao）和巴雷特领导的团队，创建了一个机器人多摄像头系统，用于追踪自由活动的小鼠在寻找和进食食物时的行为。研究人员记录了小鼠的呼吸以及头部和前爪的运动。

录像显示，小鼠将一次嗅探精确地与食物到达鼻子的时刻同步。它们的呼吸、头部位置和手部动作共同构成了一个协调一致的行为。这与小鼠在搜索时使用的重复性嗅探不同，它更像是一种快速检查，类似于人类在决定是否咬一口之前将食物举到鼻子前的方式。

研究发现，当处理吸引力较低的食物时，小鼠嗅探得更用力。然而，仅仅气味本身并不能触发这种行为。当研究人员干扰小鼠的嗅觉时，小鼠仍然继续进行这种单一的食物嗅探。只有当科学家们使运动皮层（一个参与自主运动的大脑区域）静默时，这种行为才停止。

“这意味着当小鼠嗅探食物时，它们并非对气味做出反射性反应，而是一种主动的、有意识的感觉采样行为，”芒·高解释说，“结果表明，小鼠选择进行这些快速的‘嗅觉检查’，这与许多人类嗅觉行为的特征相似，而不是被动地被触发嗅探。”这项研究首次记录了啮齿动物在自然觅食过程中这种有意的、非反射性的嗅探行为。

人类研究：发现嗅球内部的Theta振荡

第二项研究则从人类的角度审视了这个问题。范伯格医学院神经病学系的克里斯蒂娜·泽拉诺（Christina Zelano）实验室的研究人员与耳鼻喉科的布鲁斯·谭（Dr. Bruce Tan）医生合作，旨在理解人类尽管吸气速度远慢于啮齿动物，却仍能快速识别气味的原因。

“我们想了解，即使我们的嗅探速度比啮齿动物慢10倍以上，我们如何能像它们一样快速识别气味，”泽拉诺实验室的博士后学者安德鲁·谢里夫说，“通过使用一种新颖的技术直接记录人类嗅球的活动，我们发现嗅觉处理的节律与啮齿动物的节律高度相似，这表明嗅觉在物种间存在保守的时间窗口。”

该团队利用泽拉诺实验室开发的一种微创、高精度方法，测量了健康志愿者在进行一次有意识吸气时嗅球的活动。这次单一的吸气触发了被称为theta振荡（2-8 Hz）的低频脑电波。这种节律与啮齿动物反复嗅探时的频率范围相匹配。

这意味着人类大脑无需将每个theta周期与一次单独的呼吸相匹配。相反，一次缓慢的吸气可以激活多个内部处理周期，从而使气味信息在一次嗅探中迅速被划分和组织。Theta节律还有助于构建与分析气味本身相关的更快神经活动爆发。

在啮齿动物中，呼吸和theta活动紧密同步，以至于它们难以分离。而人类的呼吸较慢，这使得研究人员能够观察到大脑节律可以独立于物理嗅探而持续存在。

“我们的发现意义重大，”西北大学跨学科神经科学研究生乔汉·杨（Qiaohan Yang）表示，“在啮齿动物中，嗅探和theta节律紧密融合，几乎无法区分。在人类中，较慢的嗅探速率将它们分开，揭示了theta振荡是一种独特的、独立产生的节律，一次有意识的吸气足以激活它。”

这些研究进一步加深了对感知作为大脑主动构建过程的理解。嗅探不仅仅是空气进入鼻腔。它的时间可以与运动、注意力、预期和决策协调一致。小鼠似乎选择何时进行一次专注的嗅觉检查，而人类大脑则利用一次呼吸来创建快速的内部序列以分析气味。

因此，物种之间的差异可能不在于基本机制，而在于每种动物如何利用它。小鼠通过快速的呼吸周期运行共享系统。人类则将类似的神经计时压缩到一次较慢的吸气中。这两种策略都使大脑能够足够快地收集信息，以指导下一步行动，无论是吃下一块碎屑、拒绝变质的食物，还是判断水果是否成熟。

总而言之，这些研究表明，演化并没有为人类发明一套全新的嗅觉系统。它保留了相同的核心设计，并调整了该设计在截然不同的呼吸和行为模式下如何运作。