比眨眼还快!人类嗅觉时间分辨率测定

2024-10-21 09:57来源: 中国科学报

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  ■中国科学报记者 冯丽妃

  汽车的尾气、咖啡的香味、烤肉的烟熏味……走在大街上,人们能通过不同气味判断其所处空间位置的变化,并在不知不觉中产生愉悦或不愉悦的情绪反应。

  尽管如此,与视觉、听觉相比,嗅觉常被认为是人类反应最迟钝的感官。其中一部分原因是,气味是飘忽不定的,人们通常在吸气时才能感知气味,这使得在实验中很难高精度地捕捉人类嗅觉的时间分辨能力,从而限制了人们对嗅闻速度和区分味道能力的准确评估。

  现在,中国科学院心理研究所研究员周雯团队开发了一款高时间精度的“嗅觉仪”,首次将对人类嗅觉时间分辨率的认识提升至“毫秒级”,并发现人类嗅觉能感知间隔60毫秒—— 一次眨眼时长的1/3呈现的两种气味分子顺序上的差异。日前,相关研究成果发表于《自然-人类行为》。

  “这项研究为人类嗅觉的高时间分辨率提供了强有力的证据,表明嗅觉的时间分辨率甚至可以与视觉相媲美。”一位国际审稿人评价说。

比眨眼还快!人类嗅觉时间分辨率测定

毋愚力借助高速离子探测器和气流计测量嗅觉仪的时间精度。研究团队供图

  巧妙开发“嗅觉仪”

  人类的视觉、听觉对时间的分辨能力通常以“毫秒”为尺度来计算,相比之下,人们对自身嗅觉时间分辨能力的了解则十分有限。

  “对于人与其他哺乳动物来说,嗅觉一般依赖于在吸气过程中闻到的气味。人类的吸气通常持续1~3秒,这曾被认为设定了嗅觉感知化学环境的时间极限。”论文通讯作者周雯对《中国科学报》说。

  在一次吸气时,人类的鼻子对气味成分的动态感知究竟有多敏感?周雯对此十分好奇。但回答这个问题,首先要越过过往实验中的一系列障碍。例如如何控制飘忽不定的气味、如何在一次吸气中精确控制气味呈现的时间、如何控制不同气味呈现的时间间隔和顺序等。

  工欲善其事,必先利其器。周雯团队经过一次次尝试,开发出一种能以高时间精度控制气味呈现的“嗅觉仪”,扫除了这些“拦路虎”。该装置能够锁定吸气的开始时间,并在一次吸气中将不同气味以一定的时间间隔依次呈现于鼻腔,且时间间隔精度控制在18毫秒内。

  人眨眼一次用时约180毫秒,这意味着该装置的气味呈递精度比眨眼快得多。这是如何做到的?

  “我们的仪器其实很简单,它有一个比较巧妙的点——直接用吸气产生的负压控制气流,进而将气味传递至鼻腔。同时,我们借助单向阀控制气味通道的开关,单向阀的打开源于吸气产生的压强差,不吸气时,阀门则保持关闭,阻止气味以布朗运动方式弥散。”周雯解释说。

  “通过这个装置,只要控制不同气味通道的长度,就能控制两种气味在一次吸气中到达鼻腔的先后和时间间隔。”她补充说。

  首次评估嗅觉时间分辨率

  “利器”在手,周雯团队招募了229名受试者参与嗅觉实验,这些受试者年龄在18~30岁之间,嗅觉健康,无吸烟史,无呼吸道疾病。

  研究团队为受试者呈现不同顺序的气味分子序列——包括类似苹果、洋葱、柠檬、花香气味的化合物,并控制这些气味分子呈现的相对时间间隔在约20毫秒到400毫秒的范围内变化,以测查受试者的嗅觉时间敏感性。此外,他们还请受试者对气味混合物与单独气味的成分相似性进行评分。

  研究发现,当两种气味分子呈现间隔仅为60毫秒时,受试者即可分辨出由两者组成的气味序列的异同。“60毫秒大约是一次眨眼时长的1/3,接近于视觉对红绿闪烁的分辨率。”周雯说,在两种气味分子以顺序和逆序呈现的背景下,其绝对时间差相当于两个60毫秒,即120毫秒。

  研究还发现,当两种气味成分的呈现间隔时间延长到100~200毫秒时,受试者会感觉混合物闻起来更像先呈现的气味成分。“这表明在对气味混合物的感知中,先呈现的气味成分对于气味整体性的知觉更加重要。”论文第一作者、周雯团队博士后毋愚力说。

  3位国际审稿人对这项研究的创新方法与结论均给予了高度评价。“该研究采用的气味呈现仪器简单而‘优雅’,达到了令人印象深刻的时间精度,人类能够区分如此短的非同步气味刺激非常令人惊讶!”一位国际审稿人写道。

  你的嗅觉比想象的更灵敏

  “无论对人还是动物而言,嗅觉的重要意义都不应被低估。”周雯说,嗅觉在人与动物的情绪调节、社交互动,乃至疾病预测中都发挥着至关重要的作用。以蜜蜂为例,它们的嗅觉不仅用于寻找食物、导航,还在社会交流中扮演重要角色。

  有趣的是,一些嗅觉超群的人,如苏格兰退休护士Joy Milne,甚至能够辨别出帕金森病患者特有的“麝香”体味。研究者据此在帕金森患者皮肤上发现了一些独特的化学分子,可能为帕金森病早期诊断提供新的可能性。

  感知觉研究是心理学二级分支学科基础心理学重要的研究课题。过去15年,周雯带领团队做出的系列研究表明,人类的嗅觉远比想象的要敏锐得多。例如,嗅觉不仅可以作为空间导航的重要线索,还会影响人们对视觉客体的感知,甚至能根据不同气味感知性别、了解性取向。

  在周雯看来,当前嗅觉研究仍然大有可为。例如,尽管视觉和听觉编码的研究已经较为深入,但“气味编码”研究仍是短板。同时,现代机器人已经具备视觉和触觉,但尚未完全发展出嗅觉功能,未来如果将嗅觉纳入机器人的感知系统,可能有助开启新的应用领域。

  她表示,此次研究为气味客体的“时间编码”提供了行为证据,加深了人们对气味感知背后的时间维度的理解,也为设计电子鼻和嗅觉虚拟现实设备提供了灵感。

  相关论文信息:

  https://doi.org/10.1038/s41562-024-01984-8

  《中国科学报》 (2024-10-21 第1版 要闻)

[责任编辑: 李欣哲 ]
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