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感受玫瑰芳香的时间冲突:嗅觉系统如何区分重叠气味

2005-11-18 23:00 Mark Stopfer等 Nature Neuroscience 阅读 0
核心摘要: 本文探讨了嗅觉系统如何区分时间上重叠的气味。研究者在蝗虫嗅觉系统中发现,投射神经元(PN)的群体活动在重复气味脉冲下表现出稳定的响应轨迹,而单个PN的响应则动态变化。这种群体编码机制使得Kenyon细胞能够可靠地识别重复气味,从而解决时间冲突。研究揭示了嗅觉系统通过重新设置触角神经叶的整体活性来区分先后气味的机制,为理解嗅觉编码提供了新视角。

时间在解决化学物质感受的问题上是一件棘手的事。在脊椎动物嗅球和昆虫触角神经叶中的主要神经元具有动态的气味响应,这种响应可以比气味在空气中暴露的时间更为长久。研究者认为,这种响应的时间模式在区分不同气味中极为重要。但在自然环境中,气味本身具有瞬时结构:随着动物的动作和气味在特定空间存在的间歇性,新气味似乎会打断旧气味的信号。经验告诉我们,第二次闻玫瑰的气味还是玫瑰本身的气味,那么,该如何解释嗅觉系统区分时间上冲突的气味的机制?

在本期《自然·神经科学》第8卷第1568-1576页(2005年)的文章中,Mark Stopfer和同事们在蝗虫嗅觉系统中解决了这个问题。他们将成年蝗虫暴露在一系列间歇性气味的脉冲中,记录触角神经叶中投射神经元(PN)细胞内外的变化。在绝大多数情况下,相继的脉冲会引起神经元响应的不断变化,这表明气味的瞬时结构会影响PN响应的时间模式。

为阐述这种干涉对下游信号的影响,作者检测了蝗虫嗅觉系统的所有特征。每个触角神经叶包含830个PN,超过100个的PN会集到大约含有5万个Kenyon细胞的蕈形体(一个对气味记忆非常重要的大脑区域)上。气味的刺激在触角神经叶中引起振荡,Kenyon细胞每隔50毫秒整合一次来自PN的信号输入,与一个振荡的时间大致相当。作者收集了117个PN记录,不仅建立了50毫秒的活性载体,还构建了不同气味脉冲模式下PN响应的整个活性轨迹。

与响应不断变化的单个PN不同,整个PN活性表现出相似的多脉冲响应。当施加重复的气味脉冲时,研究者们得到相同的响应曲线:在下一个脉冲出现时,细胞似乎重新调整了整个线路,使得响应过程重新开始,不顾脉冲时间长短地重复着上一个脉冲留下的轨迹。根据不同的信号呈现模式,从50毫秒响应图谱中可以准确识别出气味的类型。

这些结果揭示了这样一个规律:时间上的冲突似乎可以通过PN输入信号会集到Kenyon细胞来解决,而Kenyon细胞对于重复性气味脉冲的响应非常可靠。然而,这个问题的解决还依赖于新到的气味会重新设置处于触角神经叶的整体活性。究竟是什么因素使得那些动态活性的PN重复性地恢复响应轨迹?正在进行的气味响应又是如何被其他气味重新设置的?看样子,该领域的科学家们还需要深入地“嗅”,以揭示出更为明确的答案。

编者注:摘译自《自然·神经科学》第8卷第1425页(2005年)doi:10.1038/nn1105-1425

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