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无论是我们最喜欢的食物飘散的香味，还是有毒化学物质渗出的危险气味，人类的嗅觉已经进化成一个复杂的系统，它通过几个复杂的阶段来处理气味。哺乳动物的大脑中有数十亿个神经元可以用来识别它们所接触到的气味，从令人愉悦的气味到刺鼻的气味。

另一方面，像果蝇这样的昆虫，只有10万个神经元可供使用。然而，它们的生存依赖于它们破译周围复杂气味混合物含义的能力，从而找到食物、寻找潜在的配偶和躲避捕食者。科学家们一直在思考昆虫是如何用比哺乳动物小得多的嗅觉系统来嗅觉或从气味中提取信息的。

加州大学圣地亚哥分校的科学家们相信他们已经找到了这个令人困惑的问题的答案。物理学博士生Palka Puri与博士后学者Shiuan-Tze Wu，副教授chi - ying Su和助理教授Johnatan Aljadeff(都在神经生物学系)一起发现了果蝇是如何使用一个简单有效的系统来识别气味的。

“我们的工作揭示了昆虫用来对复杂嗅觉刺激做出反应的感觉处理算法，”Puri说，他是该论文的第一作者，发表在《美国国家科学院院刊》上。“我们发现，昆虫感觉神经元的特殊组织是解开这个谜题的关键——实现了一个重要的处理步骤，促进了中央大脑的计算。”

先前对果蝇气味处理系统的研究主要集中在中央大脑作为处理气味信号的主要枢纽。但是这项新的研究表明，昆虫的感觉能力的有效性依赖于它们感觉系统外围的一个“预处理”阶段，这个阶段为稍后在大脑中央区域发生的计算准备气味信号。

苍蝇通过它们的触角来嗅觉，触角上布满了感应毛，可以探测到周围环境的元素。每根感觉毛通常有两个嗅觉受体神经元，或称orn，它们被环境中不同的气味分子激活。有趣的是，在同一根感觉毛发上的orn是通过电相互作用强耦合的。

普里解释说:“这种情况类似于两根紧靠在一起的载流导线。”“电线携带的信号通过电磁相互作用相互干扰。”

然而，在苍蝇嗅觉系统的情况下，这种干扰是有益的。研究人员表明，当果蝇遇到气味信号时，受体之间的特定干扰模式帮助果蝇迅速计算出气味含义的“要点”:“这对我是好还是坏?”外围区域的初步评估结果随后被传递到果蝇中央大脑的一个特定区域，在那里，有关外界气味的信息被转化为行为反应。

研究人员建立了一个数学模型，说明气味信号是如何通过气味嗅觉器官之间的电耦合处理的。然后，他们分析了苍蝇大脑的接线图(“连接组”)，这是由霍华德休斯医学研究所研究园区的科学家和工程师生成的大规模数据集。这使得Puri, Aljadeff和他们的同事可以追踪来自感觉外围的气味信号是如何整合到大脑中央的。

生物科学学院的教员Aljadeff说:“值得注意的是，我们的工作表明，最佳的气味混合——每根感觉毛发最敏感的精确比例——是由基因预先确定的嗅觉神经元之间的大小差异决定的。”“我们的工作强调了感觉外围在处理中枢大脑中天生有意义和习得的气味方面的深远算法作用。”

Aljadeff用视觉类比来描述这个系统。就像一个专门的相机可以检测特定类型的图像一样，苍蝇已经开发出一种基因驱动的方法来区分图像，或者在这种情况下，区分混合气味。

他说:“我们发现，苍蝇的大脑有线路，可以读取这个非常特殊的相机发出的图像，然后启动行为。”

为了得出这些结果，该研究与Su实验室先前的研究结果相结合，该研究描述了苍蝇嗅觉系统中orn的保守组织形成感觉毛。在每只苍蝇中，由相同气味分子携带的信号总是相互干扰，这一事实向研究人员表明，这种组织是有意义的。

苏说:“这个分析显示了高级大脑中心的神经元如何利用外围的平衡计算。”“真正将这项工作提升到另一个水平的是，这种外围预处理对大脑高级功能和回路运作的影响有多大。”

这项工作可能会激发对其他感官(如视觉或听觉)外周器官处理作用的研究，并有助于为设计具有解释复杂数据能力的紧凑型检测设备奠定基础。

Puri说:“这些发现使我们深入了解了生物学中复杂感官计算的基本原理，并为未来利用这些原理设计强大的工程系统的研究打开了大门。”