在過去的一個世紀裡，科學家以微觀細節繪製了人體的幾個感覺系統，發現處理視覺、聲音和觸覺的細胞以可預測的空間模式排列。
鼻子的嗅覺感受器種類繁多，要駕馭複雜的環境就困難得多。多年來，許多科學家認為這些受體大多是隨機分佈的。
現在，兩個科學家小組已經成功繪製了老鼠鼻子的地圖。利用先進的基因定序和成像技術，研究人員發現小鼠鼻子中 1,100 種不同類型的嗅覺受體中的每一種都佔據著獨特的、可預測的位置，並且在小鼠之間是一致的。
這項研究結果發表在周二《細胞》雜誌上的兩篇論文中，代表了鼻子中氣味受體的第一個完整的精細比例圖。他們認為，地形圖對嗅覺的重要性可能與對其他感官的重要性一樣。
哈佛大學神經生物學家、其中一篇新論文的作者桑迪普·羅伯特·達塔 (Sandeep Robert Datta) 表示：“空間中的信息組織是所有感覺系統的重要組織原則，這就是迄今為止使氣味變得超級怪異的原因。” “在某種程度上，我們揭開了這張失傳已久的嗅覺地圖。”
科學家尚未證明人類鼻子中存在相同類型的圖譜，並且還不明白為什麼受體會這樣排列。但這項研究揭示了嗅覺系統如何發育，並為更好地理解經常被忽視的感覺鋪平了道路。
哈佛大學分子生物學家和神經科學家、另一篇論文的作者凱瑟琳·杜拉克 (Catherine Dulac) 表示：“有了這種全面的理解，對核心嗅覺系統組織的廣泛理解對於理解我們如何處理氣味絕對至關重要。”
地形圖保存了有關世界的關鍵感官訊息，並幫助大腦更有效地處理這些訊息。例如，在耳朵和聽覺皮層中，相鄰細胞會偵測相鄰的聲音頻率。在眼睛和視覺皮層中，鄰近的神經元處理來自視野中鄰近點的訊息。
但科學家一直無法在鼻子中偵測到等效的地圖，鼻子中含有數量驚人的嗅覺受體。這些受體是在神經元表面發現的特殊形狀的蛋白質，並與互補的氣味分子結合。人類有數百種不同類型的這些受體，但某些物種（包括小鼠）有 1,000 種或更多。每種類型的受體與一組不同的氣味分子結合，鼻子中的每個神經元僅攜帶一種類型的受體。
科學家先前發現，鼻子可以分為幾個包含不同群體嗅覺受體的廣大區域。但專家們長期以來認為，在這些區域內，受體是隨機分佈的。 「基本上，感覺是，『事情是超級隨機的，你無法做出預測，而且鼻子裡沒有真正的空間結構，』」達塔博士說。
在他們的新研究中，達塔博士和他的同事分析了小鼠鼻子的神經元，以確定哪些基因（小鼠基因組中的許多基因）在每個神經元中活躍或表達。
這些數據揭示了每個神經元表達哪種特定的嗅覺受體。但科學家也發現了數百個具有各種不同功能的額外基因，它們的活性似乎因神經元而異，這取決於存在的受體類型。
其中一些基因已知僅在鼻子的某些區域活躍，而其他基因則有助於指導物理空間中神經元的發育。研究人員假設這些基因可以幫助確定給定神經元表達哪種受體，並且可以根據該神經元在物理空間中的位置來實現這一點。
為了驗證他們的假設，研究人員分析了更大的小鼠鼻組織樣本，使用先進的空間成像技術來確定這些不同基因在物理空間中的表現位置。
杜拉克博士的團隊一直在一個單獨的計畫中使用相同的成像技術，該計畫是聯邦政府資助的建立整個小鼠大腦詳細細胞圖譜的一部分。在他們的研究中，杜拉克博士和她的同事繪製了鼻子和嗅球組織樣本中嗅覺受體基因的表達圖譜，嗅球是從鼻子接收訊息的大腦結構。 （達塔的團隊將其中一些數據納入他們的研究中，但也分析了另一組小鼠的組織樣本。）
最後，各隊最終製作了類似的地圖，接球手的位置一致。他們也發現嗅球的神經元圖反映了鼻子的圖。
「這非常令人滿意，」杜拉克博士說。
在後來的實驗中，達塔博士的團隊還發現，鼻子中的化學梯度似乎有助於引導這張圖的形成，「告訴」感覺神經元它們在空間中的位置，以及最終表達哪種類型的嗅覺受體。
「我認為這實際上是一個非常站得住腳的假設，」塔夫茨大學研究嗅覺的神經生物學家詹姆斯·施沃布（James Schwob）說，他沒有參與這項新研究。他補充說，這項研究“提供了對鼻子位置如何基因編碼的更深入的分子理解，以及組織中的哪些機制可能負責建立這一點。”
神經生物學家琳達·巴克 (Linda Buck) 因發現嗅覺受體和嗅覺系統的組織方式而獲得諾貝爾生理學或醫學獎，她將這項新研究描述為「開創性的」。巴克博士現在在西雅圖弗雷德·哈欽森癌症中心研究嗅覺，她說，她對發現數百個基因感到特別興奮，這些基因可以在調節神經元表達的受體中發揮作用。 「這是一個重要的發現，為未來更好地了解嗅覺系統如何發育的實驗鋪平了道路，」他說。
儘管如此，最大的問題仍然存在：為什麼某些受體位於它們所在的位置，以及這如何幫助大腦理解氣味？一種可能性是相鄰的神經元檢測到具有相似化學結構的氣味分子。另一個原因是，地圖是按含義組織的，具有吸引人的氣味，例如在一個區域中檢測到的自己後代的氣味，以及在另一個區域中處理的令人厭惡的氣味，例如捕食者的氣味。
兩個團隊都已開始研究其中一些可能性。例如，在他們的新論文中，杜拉克博士和她的同事繪製了小鼠對其中一些正面和負面社交線索的嗅覺反應。這項研究還處於早期階段，控制地圖的原理可能並不簡單。
但達塔博士說，新論文是關鍵的起點。 “直到現在，”他說，“試圖理解鼻子上的地圖的含義是沒有意義的，因為我們甚至不知道它的存在。”
