“香精灵”系列科普，气味变了，人的鼻子在几秒内可以发现？

“香精灵”系列科普文章

气味的感知不同于画布上颜料的静态混合，而是仿佛携带着时间戳的音符谱就的一首随想曲。

（图片来源：中国科学院心理研究所）

人类视觉和听觉的时间分辨率在数十毫秒这个量级。流星划过天际，电闪伴着雷鸣，孩子破涕而笑，掌声响起来……这些丰富多彩的体验都能“瞬间”感受。相比之下，嗅觉在大众的眼中显得有些“迟钝”，入芝兰之室久而不闻其香，入鲍鱼之肆久而不闻其臭，气味似乎飘忽不定，难以捉摸。嗅觉系统对进入鼻腔的信息是否只能“粗糙”加工？并非如此，近期，中国科学院心理研究所周雯团队的研究揭示，时间在气味感知中起到了重要的作用1。嗅觉系统会登记一次吸气中气味分子的动态过程，并将其投射到我们的知觉之中。气味分子犹如音符精灵，悄然携带着时间戳，织就了一段段气味随想曲。仅两个分子“音符”的时间顺序差异，便足以让我们感知到不同的“韵味”。

我们是如何闻到气味的？

我们对于气味的感知始于气味分子与嗅觉受体的结合。在一呼一吸间，气味分子随气流进入鼻腔，到达鼻腔末端的嗅上皮，并与嗅觉感觉神经元树突末梢的嗅觉受体蛋白结合，触发相应嗅觉感觉神经元的动作电位。人类拥有约四百种不同的嗅觉受体，它们的排列组合使我们得以分辨成千上万种气味（有研究估计这一数量可以达到万亿级别2）。表达相同嗅觉受体的嗅觉感觉神经元会将轴突汇聚投射到位于嗅球特定位置的嗅小球。这一过程也就将外部环境中气味分子的结构特征转化为了嗅球中不同嗅小球精细的时空激活模式。通过僧帽细胞和簇状细胞—嗅球的传出神经元，嗅球直接或间接地投射至包括梨状皮质、杏仁核、内嗅皮质、海马、丘脑、下丘脑、脑岛以及眶额皮质在内的多个脑区，最终生成了我们体验到的“气味”。

人类嗅觉系统解剖结构

（图片来源：改编自参考文献3）

人类嗅觉，比你想象得更好

有人觉得，嗅觉似乎并不那么重要。调查显示，如果必须在保留嗅觉还是保留手机或电脑间进行选择，53%的年轻人选择放弃嗅觉。但是，被大部分人忽略的是，一日三餐，人间烟火的幸福其实大部分都是嗅觉的贡献。当我们咀嚼食物时，食物释放的气味分子会顺着连通口腔和鼻腔的鼻后通路进入鼻腔，和嗅上皮上的嗅觉受体结合，从而塑造我们对食物风味的感知。一旦感冒鼻塞，舌尖上的美味便会黯然失色，一杯咖啡或是奶茶的小确幸也会大打折扣。

身体气味传递丰富的社会信息

（图片来源：Weizmann Institute of Science）

除了“吃”，嗅觉在其他方面也扮演着重要的角色。我们的鼻子可以分析气味分子的亚结构特征，追踪呼吸间化学环境的改变5；并通过比对鼻腔两侧吸入的气味分子的异同，计算气味源的方位，指引我们的空间导航6,7。气味还调节着我们的情绪状态8,9，甜美的香草令心情舒缓，清新的柠檬则使精神焕发。每个人都有自己的气味指纹，依靠鼻子，我们可以嗅出性别，识别自己和朋友的气味10，还能凭借气味找到“气味相投”的朋友11或是伴侣12-14。此外，嗅觉还与寿命相关，相较嗅觉正常的个体，存在嗅觉损伤的个体其全因死亡风险高出52%4。也许有人会说，我们的嗅觉采样受限于缓慢的呼吸节律，这就是迟钝的证明呀！的确，每一次吸气通常耗时1到3秒，吸气和吸气之间又不是连续的，而是被呼气间隔，这让人们觉得似乎需要几秒的“品味”，才能间断地闻到气味。但是，这也许是个错觉。此前，受实验手段的限制，对人类嗅觉时间敏感性的测量十分困难，结果也不乐观15。然而，在啮齿动物上进行的电生理记录和光遗传操作却显示嗅球僧帽细胞的活动和吸气的起始锁相，且有着极佳的时间分辨率。一方面，特定气味分子会引起僧帽细胞在吸气特定相位的放电，这使得时间本身就可以标识气味分子，另一方面，气味到达两侧鼻腔的时间差也被动物利用来计算气味源的空间方位16,17。那么，我们的鼻子到底对气味分子的动态变化敏感吗？周雯研究员及团队设计了一个吸气同步的嗅觉仪，探究了这个问题。

捕捉一次吸气中气味分子的韵律

中国科学院心理研究所毋愚力博士和“吸气同步嗅觉仪”

（图片来源，心理研究所人类嗅觉实验室）

上图就是研究团队的 “吸气同步嗅觉仪”，能够在一次自然的吸气中，将不同气味依序呈现至鼻腔，并对气味间的时间间隔（Stimulus Onset Asynchronies，SOA）进行精确控制，精度达到约18毫秒，相当于家用电视（60Hz）刷新一次的时长。这样的控制精度源自研究者的巧思。传统嗅觉仪依靠气泵驱动空气，由电磁阀控制气流流经不同的气味通道，气味的递送过程中存在气流流速、管道阻力、气味残留等多种混淆因素，时间精度仅在亚秒级，且无法和吸气锁相。“吸气同步嗅觉仪”则利用人自然吸气时产生的负压来驱动气味通道的单向阀，使携带气味分子的气流流入鼻腔；同时通过操控气味通道的长度来控制不同气味间的SOA。这一设计简洁高效，让气味的呈现变得精确可控，并天然地和吸气起始锁相。借助这一装置，研究者生成了不同的气味分子组合的序列，如A分子先于B分子（A→B），或B分子先于A分子（B→A），并系统操控了A和B间的SOA。一次吸气自动触发一个气味序列的呈现，吸气停止，则气味也自然中止。这让研究者得以考察不同的SOA下，气味分子的先后顺序是否影响人类对气味的感知。在多个实验中，研究者操控SOA在约20毫秒到400毫秒的范围内变化，系统测试了参与者的嗅觉时间敏感性。研究中使用了4种不同的气味分子，分别具有类似花香、苹果、柠檬、洋葱的气味。部分实验中，A和B分别是花香和苹果气味的分子，另一部分的实验中，A和B则分别对应柠檬和洋葱气味的分子。结果一致显示，当SOA仅为60毫秒时，参与者已经能够分辨出A→B与B→A的差异。换言之，快速呈现的气味序列，其顺序的不同，改变了个体所闻到的“气味”（知觉结果）。 60毫秒大约是一次眨眼所需时间的三分之一，接近于视觉分辨红绿闪烁所需的时间（颜色闪光融合临界频率：10-20 Hz）。随着SOA的增加，参与者对A→B与B→A的分辨能力愈发精准，值得一提的是，对A→B与B→A的分辨并不依赖对A和B先后顺序的区分，顺序这一时间信息内化为了“气味”的属性，也就是说，参与者在不能区分到底A和B谁先谁后的情况下，仍能准确判断A→B不同于B→A，即两个序列闻起来不一样。这项研究表明，1到3秒的吸气过程并非对化学环境的“长曝光”拍摄，而是精密捕捉着外部化学环境的时间动态细节。如果要类比的话，“气味”的形成不同于画布上颜料的静态混合，而是仿佛携带着时间戳的音符精灵谱就的一首随想曲。这倒不是说我们能像听出“宫、商、角、徵、羽”的律动一般依序识别先后到达鼻腔的气味分子，而是精细的时间变化影响了气味的整体韵味。我们的鼻子不仅能够识别气味分子的不同组合，还能捕捉其中精妙的时间信息，从而建构了我们对复杂气味世界的动态感知。

（图片来源：参考文献18 ）

“嗅觉随想”：气味黑科技

了解了人类鼻子对气味分子的动态感知，我们来想一想它在生活中的潜在应用，让我们的生活变得更加丰富和美好。

数字嗅觉

科学家们正在努力将嗅觉数字化，它涉及对气味的捕捉、分析和重现，并有着广阔的应用前景，譬如，比色人工嗅觉系统能够模拟人类嗅觉功能，检测空气中悬浮的爆炸物颗粒，未来，气味还可能像色彩一样被远程打印出来。目前，电子鼻或AI“闻到”气味好像一场根据分子结构预测气味的“猜谜游戏”，正确率不算太高。而时间特征的加入有望让数字嗅觉更为精准有效，机器人以后也可以有不错的嗅觉了。

VR导航下的气味迷宫

在VR场景中加入气味信号，通过操纵气味信号呈现的时间和浓度，从而提供气味源的位置信息，让人们更沉浸式体验探索的乐趣。

气味画展和气味交响乐

在画展或者交响音乐会，随着时间动态呈现不同的气味，营造感官盛宴。也可设计居家使用的香氛播放器，用户根据自己的偏好设定香氛器动态调整几种气味的释放时间，在有限的气味组合中创造出更多的气味体验，给用户带来个性化的气味旋律享受。

结语

气味分子如同音符，它们的动态被鼻腔中的嗅觉受体敏锐捕捉，演绎成了嗅球上嗅小球激活的时空模式（想一想音乐播放器上的可视化效果，是不是有点儿炫酷？）。我们闻到的气味，就是气味分子共同谱写的随想曲，也是它们述说的环境的“故事”。今天，气味的故事暂时讲述到这里，相信嗅觉的国度里还有很多神秘的宝藏等待我们一一探寻。

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本文来源：“科学大院”微信公众号本文作者：邢晨毋愚力周雯作者单位：中国科学院心理研究所文图版权归著作权人。