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数学模型解释了不同的大脑如何在气味上达成共识

在一项新的研究中,哥伦比亚科学家发现了为何人的大脑嗅觉系统如此显着一致,即使该区域的脑细胞连接因人而异。为了弄清楚这种明显的悖论,研究人员开发了一种计算模型,该模型表明两个大脑不必先嗅出相同的确切气味集,即可达成一组新的气味。取而代之的是,只要两个大脑在其一生中都经历了最小的气味重叠,任何两个大脑都将知道彼此关联新的相似气味(例如两朵不同的花朵)。

“我们嗅觉系统中的许多脑细胞或神经元似乎是随机连接在一起的,这意味着当我闻到玫瑰时激活的神经元与您的不同。那么为什么我们俩都可以肯定地知道我们在闻什么呢?”这篇论文的资深作者拉里·阿伯特(Larry Abbott)博士说,他是哥伦比亚Mortimer B. Zuckerman思维脑行为研究所的计算神经科学家兼首席研究员。“通过创建此模型,我们可以首次检测出看似随机活动的基础模式,从而揭示了我们的大脑如何识别气味的数学一致性。”

气味从鼻子到大脑的过程就是迷宫。当气味进入鼻腔时,称为嗅觉受体的特殊蛋白质会将有关该气味的信息发送到大脑中称为嗅球的指定位置。在1990年代的一系列开创性研究中,哥伦比亚大学祖克曼研究所的共同主任,新《神经元》的合著者Richard Axel,MD发现了编码这些嗅觉受体的1000多个基因。这项工作与他的同事Linda B. Buck博士一起进行,获得了2004年诺贝尔生理学或医学奖。

今天的论文重点关注信息如何离开嗅球,并由称为梨状皮质的大脑区域解释。梨状皮质被认为是处理异味的关键结构。因为没有两种气味相同,所以大脑必须在相似的气味之间建立关联。这个过程称为泛化,可以帮助大脑解释相似的气味。

“概括性很关键,因为它可以让您记住以前的气味(例如咖啡),并将其与当前闻到的咖啡味联系起来,以指导您在早晨迷路到厨房时,” Evan说。 Schaffer博士,Axel实验室的博士后研究员,该论文的第一作者。

但是,当科学家研究泛化的概念时,关于梨状皮质的两个悖论使他们感到困惑。首先,梨状皮层的神经活动似乎是随机的,没有明显的逻辑或组织,因此研究人员无法将特定的神经活动模式与一类气味联系在一起。

其次,梨状皮质本身看起来太大。沙弗博士说:“科学家可以推断出,人脑中大约一百万个梨状皮层神经元中仅需要约50,000个。”“鉴于神经元的能量消耗多么昂贵,这就提出了一个问题:为什么大脑的这一部分有那么多神经元?”

研究人员开发了一个数学模型,为两种悖论提供了解决方案:如果神经活动来自足够大的神经元池,那么两个大脑确实可以在一类气味上达成共识(即芬芳的花朵与臭味的垃圾)。

这个想法类似于众包,其中每个人都分析一个复杂问题的一部分。然后将该分析汇总到一个中央集线器中。

沙弗博士说:“这类似于梨状皮层中发生的事情。”“由这些百万个神经元产生的神经活动的不同模式,虽然它们自身并不完整,但结合起来就可以完整地了解大脑的气味。”

通过对从果蝇的大脑收集的数据进行测试,该团队进一步证明,这种神经活动可以帮助两个大脑就常见的气味达成共识,即使经验有限。

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