隨著科學家們不斷地探索人類嗅覺的基本要素，現(xiàn)在，人們能夠更好的理解嗅覺是怎么回事了——嗅覺是進入鼻子的氣味分子，以及將其轉(zhuǎn)化為大腦感知的單個神經(jīng)元的作用結(jié)果。

當  德國卡爾·古斯塔夫·卡魯斯大學醫(yī)院的嗅覺研究員  托馬斯·胡梅爾（Thomas Hummel）聞到一股未成熟的青番茄味道的時候，他腦海里浮現(xiàn)出了兒時的家中。傾斜的天花板下，是他與兩個哥哥共用的臥室，這里有三張床、一張普通的桌子和一個櫥柜。    “我媽媽把那些青色的西紅柿放在櫥柜里讓它們成熟�！� 他說：“它們的這種氣味非常特殊。”  這種味道彌散著青草、綠色、辛辣和苦澀的味道的感覺。就像他  路過  市場上的一箱西紅柿時的情緒感受。  ：  “在某種程度上，氣味總是會勾起特定的情緒�！�

嗅覺與我們大腦的情感和記憶中心緊密相連。薰衣草香水可能會喚起對親密朋友的回憶。一口廉價伏特加的氣味，可能會讓你面露愁容。特定洗衣粉的味道，會讓你想起祖父母使用它們時的場景，或許也會讓您唏噓落淚。

數(shù)十年來托馬斯·胡梅爾（Thomas Hummel）一直研究嗅覺。他的同事Antonie Bierling稱他為“歐洲嗅覺教皇”。

嗅覺與我們大腦的情感與記憶中心緊密相連。薰衣草香水可能會喚起對親密朋友的回憶。一口廉價伏特加的氣味，可能會讓你面露愁容。特定洗衣粉的味道，會讓你想起祖父母使用它們時的場景，或許也會讓您唏噓落淚。    

嗅覺也是我們最古老的感覺，如果對嗅覺進行追根溯源，或許可以追溯到數(shù)十億年前的第一個化學感應(yīng)細胞。但與其他感覺（  視覺和聽覺  ）相比，科學家們對它知之甚少。這在一定程度上是因為人們普遍認為嗅覺并不是至關(guān)重要的生存技能；一個多世紀以來，人類一直被錯誤地認為“人類嗅覺不靈敏”。而且，嗅覺研究也不容易。    

“嗅覺是一種高維度感受。”費城莫奈爾化學感官中心的嗅覺研究員瓦倫蒂娜·帕爾馬（Valentina Parma）說，“我們并不十分清楚化學物質(zhì)如何轉(zhuǎn)化成了感知�！钡�科學家們正在通過將這一過程分解為最基本的元素——從進入鼻子的氣味分子到大腦中處理它們的單個神經(jīng)元——來系統(tǒng)地表征和量化氣味的含義。   

 一些新的數(shù)據(jù)庫，包括最近發(fā)表在《科學數(shù)據(jù)》雜志上的一個數(shù)據(jù)庫，正試圖為分子氣味感知建立一種共享的科學語言，即單個分子對我們來說“聞起來像什么”。研究人員最近在《自然》雜志上發(fā)表了一項研究中描述了這些氣味分子是如何被翻譯成一種神經(jīng)語言，從而引發(fā)情緒和記憶的過程。

被誤解百年的人類嗅覺

神經(jīng)解剖學家保羅·布羅卡（Paul Broca）將人類定義為嗅覺缺失，或“無氣味”，引發(fā)了百年的誤解。

人類嗅覺不靈敏的想法來自一個百年的誤解。

19世紀末，法國神經(jīng)解剖學家保羅·布羅卡（Paul Broca）試圖解釋為什么人類有自由意志，而其他動物沒有，盡管我們的大腦有相似之處。他指出，人類的嗅球——  主要  用來分析鼻聞到的信息的  腦區(qū)  ——與大腦的整體大小相比相對較小。相比之下，小鼠和馬的嗅球相對于其大腦的其他部分來說是巨大的。    

于是他得出結(jié)論，嗅覺驅(qū)動動物的行為，尤其是非理性行為。人類可以選擇對氣味做出反應(yīng)，但也可以忽略它們。這導致布羅卡將人類稱為嗅覺喪失者，或無嗅覺者（anosmatique），而將其他一些動物稱為嗅覺得（osmatique）。他認為，我們能夠自由的  掌握  氣味，這讓人類成為更高級的生命形式。  “他得出了這個重要的結(jié)論�！绷_格斯大學嗅覺研究員John McGann說，“然后他幾乎在那之后就死了�！�    

不久之后，英國解剖學家威廉·特納爵士（Sir William Turner）誤譯了布羅卡的發(fā)現(xiàn)。對他來說，布羅卡得出的，是和嗅覺能力有關(guān)的結(jié)論，而不是與自由意志有關(guān)，并且說人類的嗅覺不好，而狗嗅覺好。    賓夕法尼亞大學研究嗅覺的博士后研究員Sarah Cormiea說：“通過一系列的誤傳，人們一直在重復這個想法，‘哦，人類不需要嗅覺’�！�    

同樣，弗洛伊德也和他們走了同樣的道路。他若有所思的考察了整個20世紀的各種觀點后聲稱嗅覺是一種原始的感覺，是遠古時期動物性的殘存。弗洛伊德的說法也不是不是完全不對。   

 研究人員認為哺乳動物的嗅覺可以追溯到30億年前的古代海洋中的細菌。這些生物為了找到食物，以及為了能夠移動到食物旁邊，它們會檢測周圍環(huán)境的化學梯度。將細菌細胞膜上的蛋白質(zhì)與水分子對接，觸發(fā)的內(nèi)部信號會促使生物體接近或遠離不斷增加的化學物質(zhì)濃度。這種被稱為化學感受（chemosensation）的能力是最基本的嗅覺形式，它與哺乳動物等復雜多細胞動物的嗅覺系統(tǒng)有許多相似之處。    

瑞典林雪平大學的動物學家Matthias Laska說，從這個意義上說，嗅覺是我們  最  古老的  環(huán)境交互界面�！皢渭毎麤]有視覺和聽覺，但單個細胞已經(jīng)可以對化學物質(zhì)做出反應(yīng)�！�

現(xiàn)代的化學感知要復雜得多。2004年諾貝爾獎獲得主、生物學家琳達·巴克（ Linda Buck）和理查德·阿克塞爾（Richard Axel）發(fā)現(xiàn)了哺乳動物氣味受體的編碼基因。他們研究表明，人類鼻子中有大約400種嗅覺受體，其中數(shù)百萬種受體排列在鼻腔中。每種受體都是一種可以識別并附著多種氣味物質(zhì)的蛋白質(zhì)——這些氣味分子足夠輕，可以從你的咖啡杯、潮濕的苔蘚或腋窩里的微生物中蒸發(fā)出來，然后飄到空氣中，進而飄到你的鼻腔。

玫瑰的香味大約由800種不同的分子組成。

當你聞到玫瑰的味道時，800多種不同的氣味物質(zhì)會進入你的鼻子，并與各種神經(jīng)元細胞膜中表達的嗅覺的受體結(jié)合，這些受體會被激活后表現(xiàn)出其特定的模式，供大腦解讀。    

拉斯卡（Laska）說，地球上有大約有580萬種氣味分子可供人類感知，盡管我們沒有時間/手段來確定我們是否可以聞到所有這些氣味。然而，我們往往低估了我們的嗅覺，因為我們?nèi)狈ο鄳?yīng)的嗅覺的詞匯描述他們。   

 德累斯頓工業(yè)大學研究嗅覺的安東尼·比爾林（Antonie Bierling）說。從視覺上看，我們可以把菠蘿描述為一種裹在鱗狀表皮里的黃色和綠色水果。但是你會如何描述菠蘿的味道呢？   

 “這聞起來像菠蘿，”Hummel說�！暗�我們不知道如何描述菠蘿的氣味�！蔽覀兊臍馕对~通常與它們的來源有關(guān)，例如，聞起來有青草味，聞起來像濕狗的臭味或菠蘿。他補充道：“是什么讓菠蘿成為了菠蘿的氣味？”    

描述氣味的困難，至少在英語等一些語言中限制了我們研究人類感官的能力。研究人員們現(xiàn)在正在系統(tǒng)地解決這個問題。  Bierling  說，氣味分子的化學結(jié)構(gòu)與氣味的關(guān)系在很大程度上是神秘的�！案淖冞@一點的唯一方法就是創(chuàng)建數(shù)據(jù)。”

單個分子的氣味

如果光有一定的波長，你會把你看到的描述為紅色。如果聲音有一定的頻率，你會說，這是聲音是F音階。但是，沒有類似的簡單方法來描繪氣味，這些氣味通常以不同分子的形式進入我們的鼻子。更重要的是，由于每個人聞花束時的環(huán)境不同，而且他們過去對這種氣味的體驗也各不相同，因此同一束花的氣味對每個人來說都是不同的。  

  “真正的氣味是復雜而多維的�！笨泼讈啠–ormiea）說，“人們還不清楚氣味刺激（分子）帶來的哪些特征會產(chǎn)生怎樣的感知體驗。”   

 為什么花聞起來像花的味道，是什么讓奶酪聞起來像奶酪香？氣味分子本身具有許多的維度都可以用來定義或影響它們的氣味。它們是大還是��？它們與哪些其他分子相互作用？他們釋放電荷嗎？即使是彼此互為鏡像的分子（即手征性 chirality ）聞起來也完全不同。例如，松樹和柑橘的氣味是檸檬烯分子的手性形式。    

Antonie Bierling在最近的一項研究中創(chuàng)建一個能夠?qū)�氣味詞與氣味分子相匹配的分子氣味數(shù)據(jù)集。    過去有多項研究創(chuàng)建了氣味分子數(shù)據(jù)庫，以便將每個分子形狀與氣味描述相匹配。大部分研究都招募了專業(yè)的嗅覺專家，如香水師，有的只有少數(shù)參與者。但是繪制氣味分子需要一個更大、更多樣化的數(shù)據(jù)集，其中包括來自非專家的嗅聞數(shù)據(jù)，以更好地反映高度主觀和情境驅(qū)動的真實情況。    

2016年發(fā)表的一項研究要求55名沒有受過專業(yè)訓練的健康人聞450多種物質(zhì)。這是一項“巨大的努力”，Bierling說，他沒有參與其中。研究人員發(fā)現(xiàn)，普通人的嗅覺和那些擁有靈敏嗅覺的人一樣，有著一些通用的化學規(guī)律——分子中的硫原子越多，分子就越有腐爛、大蒜味或魚腥味。分子越大、越復雜，人們對它的感知就越愉快。但研究人員還發(fā)現(xiàn)，不同的人可以用截然不同的方式描述同一種氣味。

分子越大、越復雜，人們對它的感知就越愉快。

Bierling和她的同事們希望深入了解這一發(fā)現(xiàn)，并構(gòu)建一個更加多樣化的數(shù)據(jù)集。他們讓1200多人評估了74種氣味劑，每種氣味劑都由單一的分子組成。研究人員向每位參與者分發(fā)了10個容器，每個容器都裝有不同的單分子氣味劑，并要求被試用他們自己的話描述這些氣味；之后，他們再次聞了聞氣味，并用設(shè)定的描述符對氣味進行了評定，包括氣味的強烈程度、愉悅程度、刺激程度、溫暖程度、寒冷程度或可食用程度。   

 盡管這些研究的主要目標是收集數(shù)據(jù)，但Bierling和她的團隊進行了一些分析，得出了一個核心結(jié)論：“數(shù)據(jù)集最重要的發(fā)現(xiàn)是——真正意識到了嗅覺感知的差異性。”她說。例如，約250名參與者描述乙酸芐酯聞起來像指甲油去除劑；約170人表示，它聞起來像香蕉或其他水果。   

 “兩者實際上都是正確的，”她說。Bierling說：“在我看來，這實際上不僅僅是噪音。乙酸芐酯存在于指甲油去除劑和香蕉中，人類在特定的環(huán)境中會了解某種分子。如果你在一個每天吃三次香蕉的文化中長大，那么你就知道這兩種味道沒什么不同。但是，你生活在從未見過香蕉的地方的話，就是另外一回事了�！�

Bierling的團隊并不是唯一采用這種方法的研究團隊。莫奈爾化學感官中心與谷歌合作，使用氣味分子數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建了一個人工智能工具，可以預測分子應(yīng)該聞起來是什么樣的。他們于2023年發(fā)表在《科學》雜志上的一項研究中發(fā)現(xiàn)，他們的模型可以預測大多數(shù)氣味，就像人類僅通過觀察氣味物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)一樣。莫奈爾中心的研究人員與其他人合作，也開始將不同物種和實驗的各種數(shù)據(jù)集收集到一個名為“Pyrfume”的大型氣味數(shù)據(jù)庫中。

 “這些努力是一件大事�！睕]有參與這項研究的McGann說，“它真的開始確定……氣味結(jié)構(gòu)到氣味感知的基本地圖是怎樣的，至少在人類中是這樣�！辈粌H如此，神經(jīng)科學家正試圖理解為什么大腦會以這種方式感知氣味。

大腦制造了氣味

化石證據(jù)表明，大約5億年前，最早的脊椎動物已經(jīng)進化出專門用于嗅覺的大腦區(qū)域。隨著生物體從水過渡到陸地，嗅覺受體的數(shù)量開始增加，鼻孔等支撐結(jié)構(gòu)也進化了�！按竽X是圍繞嗅覺組織的�！盚ummel說，“一開始是呼吸，然后是氣味，然后是大腦的其他部分�！�  

我們知道丘腦是較新進化出來的腦區(qū)，可以將感官信息傳遞給大腦的其他部分進行處理。但是，其他感官不同，嗅覺信息  不會經(jīng)過丘腦，帕爾馬說：“我們聞到的很多東西并沒有真正進入我們的意識�！�  

相反，胡梅爾說，氣味是在潛意識層面起作用的�！八�改變了你的行為，但以一種你沒有真正注意到的方式。” 當你意識到這些的時候，其效果可能就頗具戲劇性，氣味可以引發(fā)一陣好或壞的感覺；你甚至可能無法確定原因。而且它移動得很快：氣味信號從鼻子傳到杏仁核，大腦的情緒中心，以及海馬體，它的記憶中樞，只需要幾個突觸那么點的路徑。

“除了嗅覺之外，其他感覺系統(tǒng)都無法像嗅覺那樣在情緒和記憶之間建立直接的聯(lián)系�！崩�斯卡說，“這就是為什么氣味刺激喚起的記憶會如此生動，甚至可以喚起童年時期的記憶�！� 

我們對氣味感知的大部分理解都來自于動物研究或人類的非侵入性大腦研究。這些人體研究只能在神經(jīng)元群體水平上產(chǎn)生低分辨率的結(jié)果。

神經(jīng)生物學家Florian Mormann研究大腦中的單個神經(jīng)元如何處理信息，如氣味。

最近，波恩大學的神經(jīng)生物學家弗洛里安·莫曼（Florian Mormann）和他的團隊以更高的分辨率瞥見了這一過程：即單個神經(jīng)元的活動。這些罕見的記錄來自癲癇患者的大腦活動，在進行術(shù)之前，這些患者同意將電極植入到他們的大腦。莫爾曼的團隊讓參與者嗅聞各種氣味，其中含有甘草和咖啡等氣味，并監(jiān)測已知的、與嗅覺的有關(guān)腦區(qū)神經(jīng)元活動。    

相關(guān)的神經(jīng)元的活動記錄能夠歸結(jié)到處理氣味的幾個主要大腦區(qū)域，這項研究證實了動物研究的結(jié)果。一旦氣味進入鼻子，它們就會激活通往嗅球的神經(jīng)通路，嗅球首先分析信息。然后，信號傳遞到初級嗅覺皮層的神經(jīng)元——即負責編碼氣味特征的梨狀皮層；除此之外還會傳遞到杏仁核，杏仁核有助于對氣味產(chǎn)生情緒反應(yīng)（比如氣味是好是壞）。然后，信號傳遞到次級嗅覺皮層，其中包括海馬體，它有助于識別和命名氣味。    研究小組發(fā)現(xiàn)，梨狀皮層中的神經(jīng)元更好地編碼氣味的化學特性，而海馬體中的神經(jīng)元則更好地編碼其感知特性。其他大腦區(qū)域也參與了這個嗅覺網(wǎng)絡(luò)，包括第三嗅覺皮層，在那里信息與其他感官的信息相結(jié)合。

參與者嗅聞過氣味筆后，研究人員向他們展示了與每支氣味筆相對應(yīng)的圖片。他們發(fā)現(xiàn)梨狀皮層的神經(jīng)元不僅對氣味分子有反應(yīng)，而且對與氣味相關(guān)的圖片或文字也有反應(yīng)。換句話說，這些神經(jīng)元是概念神經(jīng)元，通常對甘草這樣的抽象概念做出反應(yīng)，無論它是如何呈現(xiàn)的。莫爾曼說：“能夠在梨狀皮層中發(fā)現(xiàn)概念神經(jīng)元（concept neurons）是一件出乎意料的事情�！�。這表明，這個以前主要與氣味處理相關(guān)的大腦區(qū)域也參與了將感官信息整合到概念中的過程。

這一發(fā)現(xiàn)與視覺科學家關(guān)于視覺處理領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)相呼應(yīng)。這些區(qū)域不僅在我們看到一個物體時激活，而且在我們想象或命名該物體時也會激活。莫爾曼說，有了氣味，“一定有類似的事情發(fā)生了”。因此，讀到“甘草”這個詞或看到它的圖片也會促使我們想象甘草的氣味。

這項研究還揭示了人類大腦感覺裝置的一個更大的真相：我們不僅基于現(xiàn)實來感知世界，還基于經(jīng)驗和期望感知之。氣味的深刻個人性質(zhì)說明了它對我們?nèi)粘；�動和關(guān)系的重要性。

單個分子的氣味

從古代細菌時代到早期與恐龍共存的哺乳動物，再到走在城市街道上的商人，氣味對生存至關(guān)重要。我們用它來判斷某物是否熟悉，是否危險，是否可食用。拉斯卡說：“我們越來越明白嗅覺在人類行為中起到的重要作用�！�

雖然我們不像貓一樣在縫隙中通過嗅覺尋找老鼠，但我們的嗅覺是人類體驗的核心。氣味與味道交織在一起：味蕾為我們提供了咸、辣、甜等廣泛的體驗，而淋上香醋的沙拉之間細微差別則來自鼻子。氣味對于我們與家人和社交圈的互動也很重要，研究表明，氣味會影響我們選擇與誰交朋友或浪漫伴侶。

敘利亞調(diào)香師阿納斯·阿巴斯等專家的鼻子已經(jīng)在識別氣味的訓練過程中成為了精確感受裝置。這種訓練涉及鼻子中的受體和大腦中的神經(jīng)元。

但是，也許最重要的是，它有助于我們發(fā)現(xiàn)威脅。Bierling說：“如果你沒有適當?shù)男嵊X……如果你的房子著火了，或者你的寶寶的尿布滿了，你就聞不到。如果你的食物腐爛了，你也聞不到味道�！�

盡管人們對我們嗅覺能力的質(zhì)量有過百年誤解，但研究越來越多地表明，人類嗅覺實際上很不錯。拉斯卡說：“我們的人類嗅覺被嚴重低估了——不僅與狗相比，而且與老鼠和其他以特別敏感著稱的物種相比�！睅资�年來，拉斯卡一直在比較不同物種的嗅覺。這取決于你讓我們聞什么。

例如，與狗相比，人類對某些氣味更敏感，尤其是果味和花香的氣味，狗“被譽為宇宙的超級鼻子，這幾乎是神話般的聲譽，”拉斯卡說。狗是食肉動物；進化壓力并沒有讓它們對水果氣味敏感。但它們對特定的脂肪酸高度敏感，例如，構(gòu)成潛在獵物體味的脂肪酸�！拔視�和朋友一起去挑選酒，”McGann說，“但我更喜歡讓狗在樹林里找到尸體。”

Cormiea說，最近的數(shù)據(jù)和研究表明，“嗅覺系統(tǒng)中可用的結(jié)構(gòu)化信息比以前想象的要多得多。”。這讓她希望我們能夠以數(shù)字化的形式進一步系統(tǒng)地理解鼻子的嗅覺。

“我們大多數(shù)人的房子里都有一個最簡陋的電子鼻，那就是煙霧探測器�！盉ierling說，“這是一個電子鼻，因為它可以確定周圍環(huán)境中的化學物質(zhì)，并警告你。”

研究人員更進一步的想法是通過數(shù)字化嗅覺，創(chuàng)建一個外部系統(tǒng)，可以檢測到人類可能不太敏感的氣味，比如從皮膚上蒸發(fā)的分子，這可能表明疾病的存在。疾病會改變體內(nèi)的炎癥標志物，使你的氣味略有不同。這些分子還包含有關(guān)激素、營養(yǎng)和整體健康的關(guān)鍵信息�！斑@種體味中有很多加密的東西，”Bierling說，他的團隊正在努力了解體味是如何被感知的。

數(shù)字鼻或許還能幫助那些因衰老、神經(jīng)退行性疾病或新冠肺炎等特定疾病而失去嗅覺的人。這類設(shè)備甚至可能進一步幫助這些人重獲嗅覺體驗。胡梅爾說：“這將是一項巨大的成就，能夠幫助人們在年老時也能保持嗅覺�！�

由于我們的嗅覺很大程度上是潛意識的，調(diào)因此在調(diào)查中，當被問及若必須失去一種感官會選擇哪種時，許多人會選擇嗅覺。胡梅爾說：“但是，我都每天都會遇到一些人坐在我的辦公室里，訴說他們?nèi)绾闻c這個世界失去了聯(lián)系 �！彼麄冊僖猜劜坏阶约汉⒆踊蚺渑嫉臍馕�，無法察覺變質(zhì)食物的餿味或危險的煙味，也再也無法觸及某些記憶。

“我知道記憶還在，但我不再擁有打開它的鑰匙了，”胡梅爾說道�！皬暮芏喾矫鎭碚f，沒有嗅覺的生活變得格外沒有安全感，可這種感受只有在失去嗅覺后才會體會到�！�