研究发现，“分布式电路”组件的关系可以跨物种扩展
神经科学家已经发现，至少有六种类型的哺乳动物 - 从老鼠到猫 - 以大致相同的方式区分气味，使用大脑中的物种进化保存的电路。
这个世界充满了数以百万计的不同气味，但哺乳动物的大脑如何进化以分辨它们是一件神秘的事情。
现在，来自Salk研究所和加州大学圣地亚哥分校的两位神经科学家发现，至少有六种类型的哺乳动物 - 从老鼠到猫 - 以大致相同的方式区分气味，使用大脑中的物种进化保存的电路。
7月份，Salk神经生物学实验室名誉教授，7月发表研究的合着者查尔斯史蒂文斯说：“这项研究可以深入了解可能适用于大脑其他部位和其他物种的哺乳动物嗅觉大脑回路的组织原理。” 2019年第18期“当代生物学”。
简而言之，该研究表明，每个物种的嗅觉神经网络的三个组成部分的大小大致相同，从鼻子中的受体开始，将信号传递到大脑前方的神经元簇。反过来，嗅球将信号传递到“更高功能”的区域，用于气味识别，称为梨状皮层。
“这三个阶段相互缩放，每个阶段神经元数量的关系在不同物种之间是相同的，”加州大学圣地亚哥分校Kavli脑与脑研究所的助理项目科学家Shyam Srinivasan说道，该论文的合着者。“所以，如果你告诉我鼻子里的神经元数量，我可以预测梨状皮质或球状体中的数量。”
目前的研究建立在2018年出版的同一个二人组的研究基础之上，该研究描述了小鼠大脑如何使用所谓的“分布式电路”来处理和区分气味。与视觉系统不同，例如，信息以有序的方式传递到视觉皮层的特定部位，研究人员发现，小鼠的嗅觉系统依赖于分布在梨状皮质上的连接组合。
在该论文之后，Stevens和Srinivasan试图确定在小鼠中显示的分布式神经回路在其他哺乳动物中是否相似。对于目前的工作，研究人员分析了不同大小和类型的哺乳动物大脑。他们的计算以及过去几年的先前研究被用于估计脑容量。Stevens和Srinivasan使用各种显微镜技术，让他们可视化在嗅觉电路中形成突触(连接)的不同类型的神经元。
“我们无法计算每一个神经元，所以我们做了一项调查，”Srinivasan说。“我们的想法是，您从不同的代表区域采集样本，因此任何违规行为都会被捕获。”
新的研究表明，连接嗅球(肾小球)的每个功能单元与梨状皮层神经元的平均突触数量在物种间是不变的。
史蒂文斯说：“看到这些是如何保存的，这是非常了不起的。”
具体而言，个体气味的识别与电路中的发射神经元的强度和组合相关联，可以将其比作钢琴的音乐，其钢琴的音符从多个按键的按下弹出以创建和弦，或者形成单词的字母排列在本页面。
“对气味的歧视是基于射击率，即沿神经元轴突传播的电脉冲，”Srinivasan说。“对于咖啡来说，一种气味可能会引起神经元的缓慢反应，而同一神经元可能会以更快的速度对巧克力产生反应。”
这个用于嗅觉的代码与大脑的其他部分不同。
“我们发现连接参数和嗅觉回路不同阶段之间的关系在哺乳动物中是保守的，这表明进化已经使用相同的设计来跨越物种，但只是改变了大小以适应动物的环境利基，”史蒂文斯说。
在未来，史蒂文斯计划研究大脑的其他区域寻找其他分布式电路，其功能基于本研究中发现的类似编码。
Srinivasan说他将关注气味编码中的噪音或变异如何决定歧视与学习之间的平衡，并解释二人在工作中发现的变化可能是区分气味的机制，可用于改善机器学习或AI系统。