初级嗅觉皮层中的拓扑组织

隐藏在嗅觉背后的地图

我们通常把嗅觉看作混乱而神秘的东西：无数气味分子进入鼻腔，某种方式在大脑中变成不同的气味。在视觉和触觉中，科学家早已发现大脑使用有序的地图，邻近的脑细胞对应邻近的空间点。本研究探讨在称为初级嗅觉皮层的大脑区域内，是否也存在类似的隐藏地图，并揭示了这种有组织的布局确实存在。

从鼻腔表面到脑回路

进入鼻腔的气味分子首先激活位于嗅球的称为球结（glomeruli）的结构——嗅觉的第一级中继。每个球结对某类气味分子有反应。对于视觉或触觉，眼睛或皮肤上相邻的点会连到相邻的大脑细胞，形成有序图谱。但几十年的研究表明，嗅觉可能不同，从嗅球到皮层的连接看起来是混乱且随机的。作者用新工具重新审视了这个难题，他们不仅询问输入来自哪里，还研究了球结群体如何共同驱动皮层中更深处的单个神经元。

用微小图案点亮嗅觉通路

为揭示这种组织，研究人员把嗅球变成一个可控的“输入屏幕”。他们使用嗅球神经元可被光激活的小鼠，在嗅球表面投射数千个小的蓝光图案，同时记录前嗅皮层（anterior piriform cortex）中大量神经元的电活动，该区域是气味处理的关键区域。通过追踪为了使某个皮层神经元发放需要点亮的嗅球位置（单独或组合），他们为每个皮层细胞构建了一种感受野图谱：列出使其兴奋、抑制的球结及其强度。

多重输入，灵活响应

这些图谱显示，典型的皮层神经元在考虑整个嗅球时，会从数十个分布在嗅球各处的球结获取信号。其中一些输入促使神经元发放，另一些则抑制它。重要的是，神经元并不像检测单一精确嗅球活动模式的探测器。相反，只要整体输入驱动力足够强，它可以被几个不同的小子集所激活。换句话说，同一神经元可以对多种不同的气味信号组合做出反应，这提示了一种灵活且重叠的编码，而非僵化的“一个模式对应一个神经元”的方案。

相邻神经元共享更多相同的嗅觉输入

当团队比较许多皮层神经元的输入图谱时，出现了一个清晰的趋势：位于初级嗅觉皮层彼此靠近的神经元，往往利用更相似的球结集合，而距离较远的神经元则差异更大。它们偏好的球结通常在嗅球上彼此相近，邻近神经元有时甚至共享特定球结，尽管这些共享输入可能分别呈现兴奋或抑制效应。随着两个皮层神经元之间物理距离的增大，它们输入图谱的相似性下降。该模式在多次记录会话和对分离神经元未被混淆的严格检查中均成立。

输入图谱与神经元对真实气味的响应相吻合

研究人员接着询问这种连线模式是否反映在神经元对真实气味的响应上。通过分析新数据和先前发表的皮层对一组气味的响应记录，他们发现相互靠近的神经元其气味偏好往往略为相似，较远的神经元差异更大。该效应虽小但在清醒和麻醉动物中都一致。此外，来自嗅球的输入图谱更相似的神经元对气味混合物的响应也更相似，把隐藏的连线图谱直接与皮层中的真实感官行为联系起来。

这对我们如何嗅闻意味着什么

多年来，嗅觉皮层被认为基本无结构，是一团随机连接，与其他感觉系统中的整齐图谱不同。这项工作表明，在表面看似无序之下，存在一种微妙的拓扑规则：位于初级嗅觉皮层彼此靠近的神经元，往往从鼻子接收更为相似的气味混合信息，并以更相似的方式响应气味。嗅觉并非简单的一对一图谱，而是一种多对一模式，其中重叠的球结群体被汇入邻近皮层神经元的簇。这种组织或许有助于大脑在连线成本、灵活性以及识别相关气味同时仍能区分它们之间取得平衡。

引用: Taragin, S., Bashan, O., Dalal, T. et al. A topographical organization in the primary olfactory cortex. Nat Commun 17, 3994 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70356-9

关键词: 嗅觉皮层, 感官图谱, 神经回路, 气味编码, 拓扑组织