扫码光顾脑声小店，实验少走弯路
即使在感觉输入变化的情况下，能够持续识别一个物体的能力被称为知觉恒常性。 这种能力并非天生就有； 相反，它是在生命的早期通过经验发展起来的。
基于此，2024年12月11日英国利兹大学生物医学科学学院Jamie Johnston研究团队在Science Advances杂志发表了“Perceptual constancy for an odor is acquired through changes in primary sensory neurons”揭示对于气味的知觉恒常性是通过初级感觉神经元的变化获得的。鼻子能够识别和记住不同的气味，这种能力是通过鼻子里的感觉细胞（也就是初级感觉神经元）发生变化来实现的。这些细胞就像是气味的探测器，它们能够捕捉到空气中的气味分子，然后通过改变自身的反应，帮助我们的大脑识别和记住这些气味。这样，即使在不同的环境或条件下，我们也能认出相同的气味。
作者发现，当小鼠对一个气味物体还不熟悉时，随着浓度的增加，知觉恒常性是缺失的。这种知觉变化与对气味最敏感的单个嗅觉受体通道活动的快速减少相吻合。这种活动下降并不是嗅觉球内回路相互作用的特性；相反，它是由于鼻子内嗅觉受体神经元的敏感度不匹配造成的。作者展示了在将这种气味与食物建立联系之后，受体通道的敏感度与气味物体相匹配，并促进了知觉稳定性。这些数据表明，初级感觉器官的可塑性使得知觉恒常性的学习成为可能。
图一 气味感知中的浓度依赖性变化
为了评估小鼠对 不同浓度气味剂的感知变化，作者使用了交叉习惯化实验，这是一种标准方法用于确定啮齿动物区分不同气味的能力。采用了基于的自动化方法，将小鼠放置在测试室中，通过一个含有光束中断的鼻探孔传递气味，记录时间。交叉习惯化实验依赖于满足两个标准：小鼠能够检测到气味以及小鼠有动机去探索气味。因此首先使用2-庚酮，这是小鼠尿液的一个成分，作者的理由是如果小鼠检测到这种气味，它们应该会去探索。小鼠在测试的最低浓度时探索了2-庚酮，然后迅速对接下来的两次呈现习惯化；即使浓度跳跃100倍到6 × 10-5% ，这种习惯化状态也得以维持。当浓度比原始浓度增加10,000倍时，小鼠再次以类似模式对进一步的刺激进行习惯化，开始探究气味。这表明小鼠在 6 × 10-5%和6 × 10-3% 之间感知到了气味的定性变化，但在两个最低浓度之间没有。
《动物行为实验手册》电子版，网盘直发
作 者开发了一种 独立于内部动机的测量小鼠对新气味的检测能力的方法。将小鼠头部固定在跑步机上，并通过视频记录，使用DeepLabCut跟踪关键的面部特征。在人类和小鼠中，对新刺激的检测会导致瞳孔扩张，发现1 × 10-7% 的乙酸叔戊酯导致的瞳孔扩张明显大于只含有溶剂的前导空白。此外，作者跟踪了口鼻周围的关键点，并注意到鼻尖相对于脸颊的运动似乎与呼吸同步。在 1 × 10-7% 的乙酸叔戊酯刺激下，与嗅探/主动探索相关的频率内容显著增 加。这些数据表明，小鼠可以检测到比交叉习惯化实验中传递的更低浓度的乙酸叔戊酯，但即使浓度高出60,000倍，它们也不会进行探索。综合这些数据表明，小鼠可以在测试的最低浓度下检测到2-庚酮和乙酸叔戊酯，并且随着浓度的增加，对于2-庚酮在6 × 10-5%和6 × 10-3%之间，以及乙酸叔戊酯在6 × 10-3%和6 × 10-1%之间，会发生感知转变。
图二 气味感知依赖于稀疏编码
为了探索大脑如何表示使用的各种浓度，作者利用活体双光子成像技术，借助 Pcdh21xGCaMP6f 小鼠，对嗅球肾小球层中由不同浓度惕各酸乙酯诱发的反应成像，生成响应图谱并分析。与交叉习惯化实验一样，小鼠首先被呈现最稀释的浓度，每个连续的刺激强度增加3到10倍。在所有呈现的浓度中都检测到了肾小球反应，表明小鼠可以在六个数量级上检测到乙酸叔戊酯的发现。当小鼠被呈现相同气味的更高浓度时，活跃的小球总数要多得多。作者根据交叉习惯化实验对反应进行了标记；将最弱刺激和0.01%之间的反应标记为“弱感知”，将0.3%以上浓度的反应标记为“强感知”，这包括感知转变边界内50%的浓度。使用适应指数（AI）来量化适应量作为浓度的函数。AI为1表示完全适应，而大于1对应于适应，将反应降低到基线以下。综合这些数据表明，不同浓度下肾小球反应不同，弱浓度时反应稀疏，一般仅单个肾小球响应；强浓度时活跃肾小球数量增多。按交叉习惯化实验对反应标记不同感知范围，发现线性分类器基于神经活动预测气味感知准确率高，且只需少数肾小球就能编码气味感知，符合稀疏的 “首要性” 编码特点，其中发挥主要贡献的定义为 “初级” 肾小球。初级肾小球从对弱感知持续响应变为对强感知快速适应，适应情况可通过适应指数量化，感知变化与初级肾小球这种适应变化对应，且不同感知下刺激时长不同时其响应动态有明显差异，还有峰值幅度、活动反弹等不同特征，这些表明气味感知依靠稀疏编码，感知变化和初级肾小球适应相关。
图三 学习知觉恒常性涉及外周变化
作者已经表明对不熟悉气味的感知恒常性的失败及其潜在机制。无法在不同浓度下识别同一物体显然会是不利的，特别是对于食物等重要的气味。自然地与食物互动会使动物能够将一系列浓度与同一物体联系起来。因此，研究了自然地将气味与食物“被动”联系是否能够赋予乙酸叔戊酯在所有使用的浓度范围内的感知恒常性。于是用含对应强感知浓度（2.5%）的惕各酸乙酯与标准食物混合作为食物源，让小鼠食用一周后进行食物寻找测试。禁食一夜的小鼠被放在有埋着的带有 2.5% 惕各酸乙酯气味食物丸的笼子里，将惕各酸乙酯与食物建立联系的小鼠找到食物丸的速度比之前7天接触等量但未与食物关联的惕各酸乙酯的小鼠更快。并且在10分钟测试内小鼠已将强感知浓度的惕各酸乙酯与食物建立了联系。之后对食用过2.5%惕各酸乙酯的小鼠用带有 1×10⁻³%该气味的埋着的食物丸进行测试，所有小鼠都很快找到并开始吃食物丸。考虑到低浓度下标准食物的气味可能辅助小鼠定位食物，又用浸泡同样低浓度该物质的埋着的棉球进行测试，结果所有小鼠也都很快找到并开始啃咬棉球，且找到棉球的潜伏期与找到带同样气味食物丸的潜伏期无差异，这说明在食用高浓度气味后，小鼠能将很宽浓度范围的该气味与食物联系起来，哪怕是之前引发不同感知的浓度。接着探究支撑这种学习诱导的感知变化的神经变化，探究敏感的初级嗅小球是否会改变自身特性以在整个浓度范围内保持响应，或者总是转变为第一个被激活的嗅小球。通过AI量化发现，将惕各酸乙酯与食物建立联系的小鼠的初级嗅小球的适应程度远低于未接触过的小鼠，在对特定转基因小鼠初级嗅小球突触前末梢信号测量时也发现了同样效果，建立联系的2只小鼠的 AI 指数显著小于13只未接触过的小鼠。对接触等量但未与食物建立联系的小鼠进行检测，其初级嗅小球仍接近完全适应，6 只测试动物的平均 AI与未接触过的小鼠无显著差异。此外，恐惧关联已被证明会对嗅觉受体神经元产生影响，导致嗅小球大小改变，在将惕各酸乙酯与食物建立联系的小鼠中也发现初级嗅小球的大小比未接触过的小鼠更小。
总结
对于气味的感知恒常性是通过改变主要感觉神经元来获得的。具体来说，小鼠能够通过与食物的自然互动，学会将一系列不同浓度的气味与同一物体（如食物）联系起来。这种学习过程导致主要感觉神经元（嗅觉上皮中的嗅觉受体神经元）的敏感性和反应特性发生变化，从而使得小鼠能够在不同浓度下识别和响应相同的气味。这种感知恒常性的获得涉及到神经元适应性的改变，使得主要的嗅觉小球在不同浓度下都能保持活跃或者调整其激活顺序，以维持对气味的一致感知。简而言之，文章强调了学习如何通过改变初级感觉神经元的响应特性来实现对气味的恒常感知。
文章来源
10.1126/sciadv.ado9205
找实验方法，上脑声常谈
动物模型构建与行为评估交流群
扫码邀请入群
方法检索教程
往期实验方法，需要的老师可以按照以下操作进行查阅：进入公众号脑声常谈→底部菜单栏脑声助手方法检索→最上方搜索框输入实验名称，您找的实验方法就出来啦！
热门跟贴