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立體嗅覺是指兩個鼻孔之間氣味濃度的差異，已被證明會影響多種動物行為，包括嗅覺搜索。然而，目前尚不清楚立體嗅覺是否能夠促進對位置關系空間表征的形成。

基于此，2025年4月14日，加拿大蒙特利爾神經病學研究所Stuart Trenholm研究團隊在Nature communications雜志發表了“Stereo olfaction underlies stable coding of head direction in blind mice”揭示了盲鼠通過立體嗅覺（即利用雙鼻感知氣味的能力）可以在大腦中穩定地編碼頭部的方向。即使沒有視覺信息，盲鼠依然能夠依靠嗅覺來感知和維持方向感，就像我們用眼睛判斷方向一樣。

在本研究中，作者記錄了盲鼠丘腦前背核中的頭部方向（HD）細胞活動：這是一個研究依賴嗅覺的位置關系空間表征的模型系統。結果發現，通過阻斷一個鼻孔的嗅覺處理或將流向兩個鼻孔的氣流合并來抑制立體嗅覺，會顯著損害頭部方向編碼。為了評估由立體嗅覺喪失引起的HD細胞調諧受損對行為的影響，開發了一種閉環頭部方向偏好測試方法，在這種方法中，當小鼠將其頭部朝向特定方向時，會獲得內側前腦束獎勵刺激。作者發現，抑制立體嗅覺會顯著降低小鼠在HD偏好測試中的表現。這些結果表明，小鼠需要依靠立體嗅覺利用氣味來形成穩定的、與環境相關聯的頭部方向空間表征。

圖一 單側鼻孔阻塞會損害頭部方向調諧

作者記錄了盲鼠ADn中的HD細胞活動，并測試了抑制立體嗅覺對HD細胞調諧特性的影響。小鼠被放置在一個圓形開放場地中進行10分鐘的實驗。實驗在GNAT1/2突變小鼠中進行，這些小鼠具有C57Bl/6背景，并伴有嚴重的先天性視覺障礙。此前，發現GNAT1/2突變小鼠利用來自開放場地地板上的氣味來穩定其HD細胞的調諧。在此研究中，在開放場地的對照實驗中，發現GNAT1/2突變小鼠的HD細胞調諧在被放置到新的干凈地板后的一分鐘內迅速穩定下來，而此時它們尚未排尿或排便，這表明它們利用的是地板上天然存在的氣味源，而不是自身沉積的氣味。為了抑制立體嗅覺，作者使用組織膠完全封閉一個鼻孔。為了量化單側鼻孔阻塞的影響，作者采用了一種不依賴頭部方向調諧曲線而是基于尖峰自相關圖的HD細胞分類方法。發現無論阻塞哪個鼻孔，單側鼻孔阻塞都會顯著損害ADn中HD細胞的編碼能力。此外，單側鼻孔阻塞對HD細胞調諧的影響似乎是由于立體嗅覺受損引起的，而非運動或平衡的變化，因為這些因素并未受到單側鼻孔阻塞的影響。對于每只小鼠，在對照和單側阻塞實驗之間不需要清潔地板，以確保氣味環境在不同暴露中保持穩定。抑制立體嗅覺會損害HD細胞調諧的結果一致，觀察到在對照組動物中，HD細胞在整個10分鐘長的記錄過程中會在相同頭部方向放電，而在單側鼻孔阻塞的小鼠中，HD細胞在單次記錄過程中會對多種頭部方向作出反應。這是因為在短時間間隔（即每次小鼠完成一次360°頭部旋轉時）測量調諧曲線時，HD細胞仍保持較強的調諧，但其偏好的放電方向在整個記錄過程中持續漂移，正如在雙側嗅覺感覺神經元（OSN）損毀導致所有嗅覺喪失時所觀察到的情況。此外，單側鼻孔阻塞顯著降低了解碼性能，其程度與雙側鼻孔OSN損毀的雙側阻塞相似。這些結果表明，在盲鼠中，立體嗅覺對于穩定HD細胞的偏好放電方向至關重要。

圖二 將氣流合并到兩個鼻孔會損害HD調諧

由于通過阻塞單個鼻孔來消除小鼠一半的嗅覺感知可能會損害下游的感覺處理，作者開發了一種替代方法，在兩個鼻孔繼續進行嗅覺處理的同時阻斷小鼠的立體嗅覺。具體來說，在每個鼻孔中植入了一根小管，管子從鼻孔直直伸出。然后，將兩根管子的開口端沿水平中線（兩個鼻孔之間）合并到一起，以消除提供給每個鼻孔的氣味信號的空間差異，兩個鼻孔之間的中心距離為1.6毫米左右。在插入管子的對照條件下，HD調諧仍然保持穩定，但與未插入管子的盲鼠對照組相比，HD調諧略有顯著下降，這表明進入鼻孔的氣流自然方向性可能會影響立體嗅覺對HD調諧的引導效果，或者將管子固定到位會限制鼻孔的小范圍運動，從而稍微削弱立體嗅覺。在插入管子后，HD調諧仍然保持穩定，但沿水平中線合并管子則完全抑制了HD細胞的調諧。合并管子導致HD細胞編碼能力下降，這一結果與單側鼻孔阻塞的結果相似。因此，盲鼠需要立體嗅覺來利用嗅覺線索穩定其頭部方向系統的調諧。

圖三 抑制立體嗅覺會損害對頭部方向的感知

研究通過設計一種行為范式來測試小鼠是否能夠學習將頭部指向特定方向以獲取獎勵，以此評估抑制立體嗅覺和破壞小鼠HD系統穩定性對小鼠在環境中感知其頭部方向的影響。實驗使用了內側前腦束（MFB）刺激作為獎勵機制，在一個無墻的圓形平臺上訓練小鼠，包括訓練階段和測試階段，訓練小鼠在特定頭部方向暫停旋轉至少500毫秒以獲得獎勵。測試階段包括有獎勵的試驗和無獎勵的探測試驗。控制組盲鼠快速適應并完成訓練，而單側鼻孔阻塞的小鼠完成訓練所需時間更長，表明其性能顯著受損。在測試階段，單側鼻孔阻塞的小鼠獲得的獎勵數量僅為對照組的一半。單側鼻孔阻塞的小鼠采用隨機搜尋策略首次找到獎勵區，并依賴本體感覺信號獲取后續獎勵。探測試驗中，單側鼻孔阻塞的小鼠無法識別獎勵區域，顯示其依賴非嗅覺、本體感覺策略獲取獎勵。抑制立體嗅覺明顯損害了小鼠對頭部方向的感知，無論是在訓練還是測試階段。比較單側鼻孔阻塞與雙側嗅覺感覺神經元損毀的小鼠，發現兩者在頭部方向偏好任務中的表現相似，表明小鼠依賴嗅覺解決頭部方向偏好任務，且盲鼠特別需要完整的立體嗅覺才能成功執行該任務。

總結

本研究的結果首次表明，立體嗅覺可以引導脊椎動物形成穩定的表征空間，同時也更好地理解了在視力喪失后嗅覺處理如何變得愈發重要。

文章來源

https://doi.org/10.1038/s41467-025-58847-7