狗狗在追寻气味之前会抬起鼻子。蚊子在降落在你的手臂上准备下一餐之前，会在你的手臂上来回飞动。这些行为的共同点是，气味帮助这些动物通过鼻子“看到”它们的世界。

虽然人类主要是用他们的视觉在环境中导航，但地球上绝大多数的生物都是通过嗅觉（即对气味的感知）来交流和体验世界。

我们是Odor2Action的成员，这是一个由50多名科学家和学生组成的利用嗅觉来研究动物的大脑功能的国际网络。我们的目标是理解神经科学中的一个基本问题：动物大脑如何将来自环境的信息转化为行为上的变化？

在这里，我们追踪气味和行为之间的相互联系，主要通过观察行为如何影响气味检测、大脑如何处理来自气味的感觉信息以及这些信息如何触发新的行为。

检测环境中的气味

当一朵花的气味被释放到空气中时，它会形成一种被称为羽流的风送分子云形状。它在空间中流动时会遇到物理障碍和温差。这些相互作用会产生湍流，将气味羽流分成细线，随着气味远离其源头而散开。这些气味细丝最终到达动物的鼻子或昆虫的触角。

被分解成细丝的气味对用它们来寻找食物、交配或躲避威胁的动物来说是一种挑战。这使它们很难准确预测气味的来源。源头在正前方、左边还是右边、上面还是下面？为了解决这个问题，动物们进化出了一种被称为“主动感知行为”的行为以提高它们在环境中探测和发现气味的能力。

例如，当一只苍蝇探测到水果的气味或一只蚊子探测到来自潜在宿主的二氧化碳时，这两种昆虫都会先逆风飞行以接近食物源的气味。然后，在气流再次涌动之前，它们会来回蜿蜒的运动以寻找更多的气味线，这种运动被称为探寻。如果丢失了气味线索，他们会重新探索，直到找到这个气味。较大的动物，如老鼠和狗，在寻找气味源时也会在更有方向性的运动和更具探索性的搜索之间交替进行。

动物也会移动它们的鼻子和触角来增加它们接触到气味的机会。这就是为什么狗会在空气中抬起鼻子以增加它们能闻到的气味量，以及为什么昆虫会移动它们的触角搅动并穿透空气以便更好地与气味分子接触。一旦来自气味的信息告诉动物它们离源头很近，视觉搜索就开始发挥作用了。

当动物接触到气味羽流时，它会通过一种叫做气味受体的微小蛋白质来检测这些气味分子的存在。这些受体被嵌在鼻腔或触角的感觉神经元中。

每个感觉神经元只包含一种气味受体。每一种气味受体都有不同的形状和一系列化学特性，这些特质决定了哪种气味可以与之结合并激活它。大多数受体可以识别多种气味，而且大多数气味可以与多种不同的受体结合。而哪种受体组合被激活以及它们的相对激活强度则决定了大脑中特定气味身份的编码。

像老鼠这样的动物有大约一千种气味受体。拥有大量形状各异的受体就可以使嗅觉系统检测和区分大量化学上独特的气味，包括那些动物从未遇到过的气味。环境中的大多数气味通常是许多不同类型分子的混合物。有些花的气味可能是100多种不同的化合物的混合。

一旦气味分子与受体结合，感觉神经元就会向大脑中被称为嗅小球的区域发送特定的电信号。不同的气味会在这些区域产生不同的电活动模式，并在大脑中产生特定的气味神经表征。

了解嗅觉的一个重要步骤是理解不同种类的气味如何映射为大脑中不同的电信号模式。

神经学家推测，随着这些信号在大脑深处经历了连续的处理，气味的感觉表征会以提取对生存最有用的信息的方式被重新格式化。这可能是气味是否来自有营养的东西以表明潜在的食物来源，或者它可以帮助动物识别气味是来自潜在的竞争对手还是捕食者。

一旦一种特定气味的信息到达大脑，它通常会诱发本能和学习行为。发出危险信号的气味可能会促使动物呆住或逃跑，而来自同一物种成员的气味可能会促使动物标记自己的领地或开始求爱。

在许多情况下，动物执行这些任务的精确性和有效性令人难以置信。使用搜救犬来寻找失踪的人和猪来寻找松露仍然很常见，因为现有的技术不能很好地发挥作用。

动物能达到这种水平的表现不仅仅是因为它们能够探测和识别一种气味。它们还能够将气味特征（比如气味的强烈程度）与环境线索（比如风向）和内部线索（比如饥饿）整合在一起。所有这些信息汇集在一起会形成特定的一系列行为，比如“面朝风，然后向前走”。

为了理解气味是如何指导这些行为的，科学家们在动物执行特定动作时测量或操纵了它们的大脑活动。这是通过成像、电生理学或光遗传学技术来完成的，具体为通过照射特定的神经元来选择性地激活它们。这些方法使研究人员能够了解当动物改变行为去追逐一种气味时大脑活动模式是如何转变，或者环境和内部线索是如何结合在一起从而产生对它们的下一餐食物位置的最佳猜测。

用鼻子引领科技

嗅觉系统为理解大脑如何处理环境信息并将其转化为行为提供了一个独一无二的机会。与大脑的其他区域相比，嗅觉回路在结构上更简单，使用的处理阶段也更少。它的相对简单使得像我们这样的科学家能够从头到尾地研究大脑，并了解大脑是如何作为一个整体工作的。

从嗅觉的角度来理解大脑功能也可为工程、神经科学和公共卫生领域的变革性发展铺平道路。我们的研究可以加速电子鼻机器人的发展，这些机器人可以利用气味来寻找化学武器、水下石油泄漏和管道天然气泄漏，这些环境对人类或动物来说可能是乏味或危险的。机器人还可以搜索失踪人员或灾难受害者，这通常需要训练有素的狗来完成。我们相信科学和医学发展的激动人心的未来就在我们眼前！