聞得快還是看得快?中國學者巧妙嗅覺實驗顛覆想象_風聞
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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。