无论是我们最喜欢的饭菜飘逸的香气，还是有毒化学物质渗出的危险烟雾，人类的嗅觉已经进化成一个复杂的系统，通过几个复杂的阶段处理气味。哺乳动物的大脑拥有数十亿个神经元，可以识别它们所接触到的气味，从令人愉悦的气味到刺鼻的气味。

另一方面，果蝇等昆虫只有 100,000 个神经元可供使用。然而，它们的生存取决于它们解读周围复杂气味混合物的含义的能力，以寻找食物、寻找潜在的伴侣和躲避捕食者。科学家们一直在思考昆虫如何能够用比哺乳动物小得多的嗅觉系统来闻气味或从气味中提取信息。

加州大学圣地亚哥分校的科学家相信他们已经找到了这个令人困惑的问题的答案。物理学博士生 Palka Puri 与博士后学者 Shiuan-Tze Wu、副教授 Chih-Ying Su 和助理教授 Johnatan Aljadeff(均就读于神经生物学系)一起发现了果蝇如何使用一种简单、有效的系统来识别气味。

“我们的工作揭示了昆虫用来响应复杂嗅觉刺激的感觉处理算法，”该论文的第一作者普里说，该论文发表在《美国国家科学院院刊》上。 “我们表明，昆虫感觉神经元的专门组织是解决这个难题的关键——实现一个促进中枢大脑计算的基本处理步骤。”

先前对果蝇气味处理系统的研究主要集中在中脑作为处理气味信号的主要枢纽。但新的研究表明，昆虫感觉能力的有效性依赖于其感觉系统外围的“预处理”阶段，该阶段为随后在中央大脑区域进行的计算准备气味信号。

苍蝇通过触角来闻气味，触角上布满了感觉毛发，可以检测周围环境的元素。每根感觉毛发通常具有两个嗅觉受体神经元(ORN)，它们被环境中的不同气味分子激活。有趣的是，同一根感觉毛发中的 ORN 通过电相互作用强烈耦合。

“这种情况类似于两根靠近放置的载流电线，”普里解释说。 “电线携带的信号通过电磁相互作用相互干扰。”

然而，对于苍蝇嗅觉系统来说，这种干扰是有益的。研究人员表明，当果蝇遇到气味信号时，受体之间的特定干扰模式有助于果蝇快速计算气味含义的“要点”：“这对我来说是好是坏?”然后，外围初步评估的结果被传递到果蝇中央大脑的特定区域，在那里，有关外部世界存在的气味的信息被转化为行为反应。

研究人员构建了一个数学模型，说明 ORN 之间的电耦合如何处理气味信号。然后，他们分析了果蝇大脑的接线图(“连接组”)，这是由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大规模数据集。这使得普里、阿尔贾德夫和他们的同事能够追踪来自感觉外围的气味信号如何整合到中枢大脑中。

“值得注意的是，我们的工作表明，最佳的气味混合——每根感觉毛发最敏感的精确比例——是由耦合的嗅觉神经元之间基因预定的大小差异决定的，”生物学院的教员阿尔贾德夫说。科学。 “我们的工作强调了感觉外围在处理中枢大脑中固有的气味和后天习得的气味方面所发挥的深远的算法作用。”

Aljadeff 用视觉类比来描述该系统。就像可以检测特定类型图像的专用相机一样，苍蝇开发了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，苍蝇大脑具有从这个非常特殊的相机读取图像的线路，然后启动行为。”

为了得出这些结果，该研究与Su 实验室之前的研究结果相结合，该研究描述了果蝇嗅觉系统中 ORN 的保守组织形成感觉毛。事实上，在每只苍蝇中，相同气味分子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。

“这项分析显示了高级大脑中心的神经元如何利用外围的平衡计算，”苏说。 “真正将这项工作提升到另一个水平的是这种外围预处理对高级大脑功能和电路操作的影响程度。”

这项工作可能启发对视觉或听觉等其他感觉的外周器官处理的作用的研究，并有助于为设计具有解释复杂数据能力的紧凑型检测设备奠定基础。

普里说：“这些发现让我们深入了解了生物学中复杂感官计算的基本原理，并为未来利用这些原理设计强大的工程系统的研究打开了大门。”

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