比眨眼还快！人类嗅觉时间分辨率测定

　　■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。

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)