聞得快還是看得快？中國學者巧妙嗅覺實驗顛覆想象_風聞

中國科學報

2024年10月21日 07:50:43 來自北京市

毋愚力藉助高速離子探測器和氣流計測量嗅覺儀的時間精度。研究團隊供圖

汽車的尾氣、咖啡的香味、烤肉的煙燻味……走在大街上，人們能通過不同氣味判斷其所處空間位置的變化，並在不知不覺中產生愉悦或不愉悦的情緒反應。

儘管如此，與視覺、聽覺相比，嗅覺常被認為是人類反應最遲鈍的感官。其中一部分原因是，氣味是飄忽不定的，人們通常在吸氣時才能感知氣味，這使得在實驗中很難高精度地捕捉人類嗅覺的時間分辨能力，從而限制了人們對嗅聞速度和區分味道能力的準確評估。

現在，中國科學院心理研究所研究員周雯團隊開發了一款高時間精度的“嗅覺儀”，首次將對人類嗅覺時間分辨率的認識提升至“毫秒級”，並發現人類嗅覺能感知間隔60毫秒—— 一次眨眼時長的1/3呈現的兩種氣味分子順序上的差異。日前，相關研究成果發表於《自然-人類行為》。

“這項研究為人類嗅覺的高時間分辨率提供了強有力的證據，表明嗅覺的時間分辨率甚至可以與視覺相媲美。”一位國際審稿人評價説。

巧妙開發“嗅覺儀”

人類的視覺、聽覺對時間的分辨能力通常以“毫秒”為尺度來計算，相比之下，人們對自身嗅覺時間分辨能力的瞭解則十分有限。

“對於人與其他哺乳動物來説，嗅覺一般依賴於在吸氣過程中聞到的氣味。人類的吸氣通常持續1~3秒，這曾被認為設定了嗅覺感知化學環境的時間極限。”論文通訊作者周雯對《中國科學報》説。

在一次吸氣時，人類的鼻子對氣味成分的動態感知究竟有多敏感？周雯對此十分好奇。但回答這個問題，首先要越過過往實驗中的一系列障礙。例如如何控制飄忽不定的氣味、如何在一次吸氣中精確控制氣味呈現的時間、如何控制不同氣味呈現的時間間隔和順序等。

工欲善其事，必先利其器。周雯團隊經過一次次嘗試，開發出一種能以高時間精度控制氣味呈現的“嗅覺儀”，掃除了這些“攔路虎”。該裝置能夠鎖定吸氣的開始時間，並在一次吸氣中將不同氣味以一定的時間間隔依次呈現於鼻腔，且時間間隔精度控制在18毫秒內。

人眨眼一次用時約180毫秒，這意味着該裝置的氣味呈遞精度比眨眼快得多。這是如何做到的？

“我們的儀器其實很簡單，它有一個比較巧妙的點——直接用吸氣產生的負壓控制氣流，進而將氣味傳遞至鼻腔。同時，我們藉助單向閥控制氣味通道的開關，單向閥的打開源於吸氣產生的壓強差，不吸氣時，閥門則保持關閉，阻止氣味以布朗運動方式彌散。”周雯解釋説。

“通過這個裝置，只要控制不同氣味通道的長度，就能控制兩種氣味在一次吸氣中到達鼻腔的先後和時間間隔。”她補充説。

首次評估嗅覺時間分辨率

“利器”在手，周雯團隊招募了229名受試者參與嗅覺實驗，這些受試者年齡在18~30歲之間，嗅覺健康，無吸煙史，無呼吸道疾病。

研究團隊為受試者呈現不同順序的氣味分子序列——包括類似蘋果、洋葱、檸檬、花香氣味的化合物，並控制這些氣味分子呈現的相對時間間隔在約20毫秒到400毫秒的範圍內變化，以測查受試者的嗅覺時間敏感性。此外，他們還請受試者對氣味混合物與單獨氣味的成分相似性進行評分。

研究發現，當兩種氣味分子呈現間隔僅為60毫秒時，受試者即可分辨出由兩者組成的氣味序列的異同。“60毫秒大約是一次眨眼時長的1/3，接近於視覺對紅綠閃爍的分辨率。”周雯説，在兩種氣味分子以順序和逆序呈現的背景下，其絕對時間差相當於兩個60毫秒，即120毫秒。

研究還發現，當兩種氣味成分的呈現間隔時間延長到100~200毫秒時，受試者會感覺混合物聞起來更像先呈現的氣味成分。“這表明在對氣味混合物的感知中，先呈現的氣味成分對於氣味整體性的知覺更加重要。”論文第一作者、周雯團隊博士後毋愚力説。

3位國際審稿人對這項研究的創新方法與結論均給予了高度評價。“該研究採用的氣味呈現儀器簡單而‘優雅’，達到了令人印象深刻的時間精度，人類能夠區分如此短的非同步氣味刺激非常令人驚訝！”一位國際審稿人寫道。

你的嗅覺比想象的更靈敏

“無論對人還是動物而言，嗅覺的重要意義都不應被低估。”周雯説，嗅覺在人與動物的情緒調節、社交互動，乃至疾病預測中都發揮着至關重要的作用。以蜜蜂為例，它們的嗅覺不僅用於尋找食物、導航，還在社會交流中扮演重要角色。

有趣的是，一些嗅覺超羣的人，如蘇格蘭退休護士Joy Milne，甚至能夠辨別出帕金森病患者特有的“麝香”體味。研究者據此在帕金森患者皮膚上發現了一些獨特的化學分子，可能為帕金森病早期診斷提供新的可能性。

感知覺研究是心理學二級分支學科基礎心理學重要的研究課題。過去15年，周雯帶領團隊做出的系列研究表明，人類的嗅覺遠比想象的要敏鋭得多。例如，嗅覺不僅可以作為空間導航的重要線索，還會影響人們對視覺客體的感知，甚至能根據不同氣味感知性別、瞭解性取向。

在周雯看來，當前嗅覺研究仍然大有可為。例如，儘管視覺和聽覺編碼的研究已經較為深入，但“氣味編碼”研究仍是短板。同時，現代機器人已經具備視覺和觸覺，但尚未完全發展出嗅覺功能，未來如果將嗅覺納入機器人的感知系統，可能有助開啓新的應用領域。

她表示，此次研究為氣味客體的“時間編碼”提供了行為證據，加深了人們對氣味感知背後的時間維度的理解，也為設計電子鼻和嗅覺虛擬現實設備提供了靈感。