自歷史之初，人類就被氣味迷住了；將這種感覺與宗教和形而上學(xué)的經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系在一起。在古埃及，香水被認(rèn)為是神的副產(chǎn)品，字面上說是太陽神的汗水。在希臘，香水是崇拜希臘神話中各種神和女神的核心，在無數(shù)的儀式中使用了大量的香水。哲學(xué)家提奧弗拉斯特(Theophrastus)寫了“關(guān)于氣味”，這是一本詳細(xì)描述希臘社會中香水使用情況的書，而埃及的醫(yī)生們則對鼻子的解剖很著迷，因?yàn)樗麄冎辣亲颖３种环N感知?dú)馕兜墓δ堋?/p>

雖然今天人們?nèi)匀豢释斫飧泄?，但我們用來探索感官的方法已?jīng)發(fā)生了很大的變化。技術(shù)進(jìn)步和科學(xué)模式使我們對感官特征的討論從形而上學(xué)轉(zhuǎn)向科學(xué)。在這篇文獻(xiàn)綜述中，我們將考察科學(xué)是如何解開我們嗅覺之謎的。

它存在于基因中

獲得大量科學(xué)研究成果的一個(gè)領(lǐng)域是基因在我們的嗅覺中所起的作用。在哥倫比亞大學(xué)扎克曼研究所進(jìn)行的一項(xiàng)研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種基因組機(jī)制，這種機(jī)制將有限的基因轉(zhuǎn)化為我們感知范圍廣泛的氣味的能力。在這項(xiàng)研究中，哥倫比亞大學(xué)的研究人員檢查了鼻子中的神經(jīng)細(xì)胞(神經(jīng)元)和一個(gè)由400多個(gè)與嗅覺有關(guān)的專用基因組成的家族。為了研究神經(jīng)元和基因之間的關(guān)系，研究人員在小鼠身上采用了一種新的基因組測序技術(shù)-原位Hi-C，該技術(shù)繪制了一個(gè)活神經(jīng)細(xì)胞的整個(gè)基因組的三維圖譜。

來自美國哥倫比亞大學(xué)的研究人員以小鼠作為研究對象，通過原位Hi-C技術(shù)，發(fā)現(xiàn)在每個(gè)嗅覺神經(jīng)元中，基因組在三維空間中形成大量的特異反式互作，調(diào)控不同OR基因的表達(dá)，從而產(chǎn)生我們識別氣味所需的多樣嗅覺受體組合。研究成果于2019年1月9日在線發(fā)表在Nature期刊上，論文標(biāo)題為“LHX2- and LDB1-mediated trans interactions regulate olfactory receptor choice”。

鼻子能夠區(qū)分各種各樣不同的氣味，這依賴于鼻子里的嗅覺受體（olfactory receptors，OR）。嗅覺受體是在嗅覺神經(jīng)元（olfactory sensory neuron，OSN）中被轉(zhuǎn)錄翻譯出的蛋白，OSN是專門行使氣味識別和感知傳遞等功能的細(xì)胞。人的鼻子中有約1000萬個(gè)OSN細(xì)胞，每個(gè)細(xì)胞中約有400多個(gè)OR基因。小鼠細(xì)胞中有超過1000個(gè)OR基因，是人類的兩倍多，因而表現(xiàn)出更加優(yōu)異的嗅覺能力。當(dāng)OR減少時(shí)，鼻子識別氣味的能力就會下降。

以前的研究表明，每個(gè)神經(jīng)元都含有完整的400個(gè)受體基因，但每個(gè)神經(jīng)元中只有一個(gè)被激活。這項(xiàng)研究現(xiàn)在正在研究這是如何發(fā)生的?；蚪M測序技術(shù)創(chuàng)造的“快照”顯示，位于不同染色體上的嗅覺受體基因簇在選擇嗅覺受體基因之前彼此移動。在這些基因聚集在一起后，它們將與遺傳增強(qiáng)劑一起調(diào)節(jié)基因的活性，并為“選定的”嗅覺受體基因創(chuàng)造一個(gè)熱點(diǎn)。研究小組還發(fā)現(xiàn)，Ldb1蛋白在這一過程中起著關(guān)鍵作用，它將熱點(diǎn)結(jié)合在一起，并允許它們打開特定的嗅覺受體?！斑@些基因組賦予嗅覺系統(tǒng)以不同方式做出反應(yīng)的能力，”莫納漢博士說?！斑@一過程的靈活性有助于解釋我們?nèi)绾屋p松地學(xué)習(xí)和記憶新的氣味?！?/p>

鼻子的防御能力

在本刊“恢復(fù)失去嗅覺的文章”中，我們探索了有關(guān)嗅覺缺乏癥的治療方法的研究。當(dāng)研究人員正在研究恢復(fù)嗅覺減退的方法時(shí)，其他的研究揭示了我們鼻子具有自我保護(hù)的能力。在Monell化學(xué)感官中心進(jìn)行的一項(xiàng)研究中，研究人員檢查了嗅覺上皮中含有氣味檢測受體細(xì)胞的一段特定的鼻黏膜組織。這項(xiàng)研究的重點(diǎn)是微絨毛細(xì)胞(MVCs)，他們認(rèn)為微絨毛細(xì)胞是抵抗病毒、細(xì)菌和其他有害入侵者的一種防御機(jī)制。

嗅上皮中的微絨毛細(xì)胞示意圖

先前的研究還表明，MVCs含有一些與單獨(dú)的化學(xué)感覺細(xì)胞(SCCs)、味覺細(xì)胞一樣的分子機(jī)制(標(biāo)記)，這些細(xì)胞能夠感知刺激物和細(xì)菌。為了了解SCC分子標(biāo)記是否存在于嗅上皮中，科學(xué)家們檢查了現(xiàn)有的老鼠嗅覺組織的RNA測序數(shù)據(jù)。通過分析發(fā)現(xiàn)，嗅上皮組織中存在SCCs的6個(gè)分子標(biāo)記特征。他們的結(jié)論是，這些標(biāo)記物可能在MVCs中表達(dá)，因?yàn)镾CC不存在于嗅上皮中。為了證實(shí)這一點(diǎn)，研究人員使用了專門針對這六種分子的先進(jìn)的免疫化學(xué)技術(shù)來證實(shí)它們在MVCs中的存在。更多的研究還表明，MVC在嗅覺上皮局部工作，向鄰近的細(xì)胞發(fā)出信號，以啟動防御反應(yīng)。該研究的資深作者、Monell細(xì)胞生物學(xué)家馬爾科·蒂扎諾博士(Marco Tizzano Ph.D.)說：“MVC可能是潛在的治療靶點(diǎn)，有助于維持健康的嗅覺系統(tǒng)，甚至促進(jìn)受損嗅覺上皮的再生?！?/p>

年齡與氣味

嗅覺科學(xué)中另一個(gè)令人感興趣的領(lǐng)域是年齡和嗅覺能力之間的關(guān)系。過去的研究表明，失去嗅覺會產(chǎn)生巨大的影響，包括社會孤立，這是一個(gè)更大的健康問題和總體上較差的生活質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo)。在“細(xì)胞報(bào)告”(Cell Reports)上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，Helmholtz Zentrum München和美因茨大學(xué)醫(yī)學(xué)中心(University Medical Centre Mainz)的一個(gè)跨學(xué)科研究小組調(diào)查了老年人嗅覺下降的生物學(xué)原因。研究人員知道哺乳動物中新神經(jīng)元的產(chǎn)生很大程度上局限于兒童早期，因此研究人員跟蹤了老鼠大腦中干細(xì)胞隨時(shí)間的發(fā)展情況。研究人員誘導(dǎo)單個(gè)干細(xì)胞及其所有后代(稱為克隆體)點(diǎn)亮一種特定的顏色，并將結(jié)果記錄在一份特殊的五彩紙屑報(bào)告上。

研究人員使用所謂的五彩紙屑報(bào)告追蹤干細(xì)胞的發(fā)展

這使研究人員能夠根據(jù)不同的顏色隨著時(shí)間的推移來區(qū)分克隆。隨后，研究人員比較了在年輕和老年小鼠中發(fā)現(xiàn)的克隆，以找出單個(gè)干細(xì)胞和中間產(chǎn)物對成熟嗅覺細(xì)胞生長的貢獻(xiàn)。利用Carsten Marr在系統(tǒng)分析方面的專業(yè)知識，研究人員發(fā)現(xiàn)，老年人自我更新的能力下降，特別是在被稱為“轉(zhuǎn)運(yùn)放大祖細(xì)胞”的中間階段。此外，分析表明，不對稱的細(xì)胞分裂和干細(xì)胞的靜止期在年齡較大的小鼠中增加。談到這一點(diǎn)，JovicaNinkovic說：“這意味著更少的細(xì)胞在年老時(shí)分化成嗅覺細(xì)胞，因?yàn)樗鼈儍A向于留在干細(xì)胞池中，變得不那么活躍?！币虼?，功能鈍化了?！?/p>

神秘依然存在

盡管這些研究和其他研究正在幫助我們更好地理解感官體驗(yàn)，但仍然存在許多問題。有沒有治愈嗅覺缺乏癥的方法？準(zhǔn)確地說，我們的嗅覺有多大的延展性？VR和其他數(shù)字突破在探索感官方面扮演了什么角色？雖然我們現(xiàn)在似乎比5000年前更了解我們的嗅覺，但我們?nèi)匀挥性S多神秘之處。盡管如此，感官研究人員和科學(xué)家，在香精和香料工業(yè)的幫助下，將繼續(xù)深入探索我們的感官，更清楚地描繪出嗅覺和味覺背后的機(jī)制。