在室内或室外闻一闻;夏天还是冬天;在咖啡店里吃烤饼;在披萨店里有意大利辣香肠——甚至在披萨店里有烤饼!咖啡闻起来像咖啡。

为什么其他气味或不同的环境因素不会“妨碍”，也就是说，对闻到个别气味的体验?圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院的研究人员转向他们信赖的研究对象蝗虫来寻找答案。

生物医学工程教授巴拉尼?拉曼(Barani Raman)表示，他们的发现“非常简单”。他们的研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上。

拉曼和他的同事多年来一直在研究蝗虫，观察它们的大脑和它们与气味有关的行为，试图设计出嗅炸弹的蝗虫。在这一过程中，他们在了解蝗虫的嗅觉机制方面取得了重大进展。

为了了解蝗虫如何在任何环境下都能始终识别气味，他们从伊凡·巴甫洛夫那里得到了启发。就像巴甫洛夫的狗一样，蝗虫被训练将气味和食物联系起来，它们的偏好是一片草。一天不吃东西后，将蝗虫暴露在一股气味中(一股己醇或醋酸异戊酯的气味)，然后给它一片草。在6次这样的演示中，蝗虫仅仅在闻到“训练气味”后，就学会了打开触须(靠近嘴的感官器官)，期待吃零食。就像我们识别咖啡一样，经过训练的蝗虫能够识别气味，而不让其他因素干扰。

在这一点上，研究人员开始观察，当蝗虫在不同条件下(包括与其他气味一起)暴露在这种气味下，在潮湿或干燥的条件下，在饥饿或饱食时，在训练或未训练时，以及不同时间内，哪些神经元被激活。

结果表明，在不同的环境下，研究人员发现，即使蝗虫的触须每次都打开，激活的神经元模式也高度不一致。“神经反应是高度可变的，”拉曼说。“这似乎与蝗虫的行为不一致。”

可变的神经反应是如何产生一致或稳定的行为的?为了探究这一点，研究人员求助于一种机器学习算法。“我们想知道，如果给定这些可变的神经反应模式，我们能否预测蝗虫的行为?”拉曼说。“答案是肯定的，我们可以。”

这个算法很容易解释。它利用了两种功能类型的神经元:一种是ON神经元，当有气味存在时激活，另一种是OFF神经元，当有气味存在时沉默，但在气味结束后被激活。

拉曼说:“你可以把ON神经元看作是传递气味存在的‘证据’，而OFF神经元则是传递反对气味存在的‘证据’。”为了识别气味的存在，研究人员只需要添加气味存在的证据(即在所有ON神经元中添加尖刺)，并减去气味存在的证据(即在所有OFF神经元中添加尖刺)。如果结果高于某个阈值，机器学习就会预测蝗虫闻到了这种气味。

拉曼说:“我们惊讶地发现，这种简单的方法就是识别气味所需要的一切。”

拉曼将这个过程比作购买一件衬衫。假设你有一张清单，上面列出了你想要的品质——纯棉的、长袖的、有纽扣的、纯色的，也许要有一个放眼镜的前口袋——再加上一些必备条件，比如只能干洗或带圆点的衣服。

你可能会幸运地找到一件你正在寻找的衬衫。但是，更实际的是，只要你想要的许多功能出现了，而大多数不符合条件的功能没有出现，你就会购买。

寻找你想要的特征类似于ON神经元传递的信息。没有分手机制类似于关闭神经元。只要通常被气味激活的ON神经元有足够多的神经元被激活——而大多数OFF神经元没有——那么可以有把握地预测，蝗虫会打开触须，期待吃到草。

Journal Reference:

Srinath Nizampatnam, Lijun Zhang, Rishabh Chandak, James Li, Baranidharan Raman. Invariant odor recognition with ON–OFF neural ensembles. proceedings of the National Academy of Sciences, 2022; 119 (2): e2023340118 DOI: 10.1073/pnas.2023340118nuary 10, 2022).