心理所研究揭示人類在一次嗅探中具有精細的時間分辨能力

東籬把酒黃昏后，有暗香盈袖。

冷艷全欺雪，余香乍入衣。

在每一縷微風中，彌漫著無數看不見的化學分子。它們隨著我們的一呼一吸，在鼻腔中游走徘徊，譜寫出一場無聲的氣味交響。依賴于呼吸的嗅覺采樣方式，乍看之下似乎束縛了人類感知氣味的速度。長期以來，嗅覺被視作是個體遲鈍的、反應很慢的感官。近期，中國科學院心理研究所的周雯研究員及團隊開展了一項研究對這一觀點提出了挑戰，并發現人類能夠在一次嗅探的過程中感知到氣味分子精細的時間動態變化。

“工欲善其事，必先利其器”，研究者首先開發了一種獨特的“吸氣同步嗅覺儀”（圖1a）。該設備能夠在一次自然的吸氣中將不同氣味依序呈現至鼻腔，并對氣味間的時間間隔（Stimulus Onset Asynchronies，SOA）進行高精度的控制（圖1b），控制精度達到18毫秒，相當于普通液晶顯示屏（60 Hz）一幀的時長。

借助這一裝置，研究者生成了不同的氣味分子序列，如A分子先于B分子（A→B），或B分子先于A分子（B→A），并系統操控了A和B間的SOA。一次吸氣自動觸發一個氣味分子序列的呈現，吸氣停止，則氣味也自然中止。這讓研究者得以考察不同的SOA下，氣味分子的先后順序是否影響人類的知覺輸出，即是否產生不同的氣味感知（圖1c）。

圖1. a. 吸氣同步嗅覺儀示意圖。b. SOA與管長差和吸氣流速關系模型。c. 氣味序列分辨流程。

在多個實驗里，研究者操控SOA在約20毫秒到400毫秒的范圍內變化，系統測試了參與者的嗅覺時間敏感性。實驗中使用的氣味分子共有四種，分別具有花香、蘋果、檸檬、洋蔥的氣味。結果顯示，當SOA僅為60毫秒時，參與者便能分辨出A→B與B→A的差異。60毫秒大約是一次眨眼所需時間的1/3，接近于視覺對紅綠閃爍的分辨率（顏色閃光融合頻率：10-20 Hz）。隨著SOA的增長，參與者對A→B與B→A的分辨能力愈發精準，同時，這一能力并不依賴于對A和B的先后順序的再認。

該研究表明，一次1-3 s的吸氣并非對化學環境的一次1-3 s的長曝光拍攝。實際上，一次吸氣生成的“氣味”中內嵌著豐富的時間動態細節，其時間敏感度與我們對色彩的感知相當。這也為氣味客體的“時間編碼”理論提供了行為證據，加深了我們對氣味感知背后的時間維度的理解。此外，這項工作提出的高時間精度控制氣味的方法也對電子鼻、嗅覺VR等的設計有啟發作用。

李清照的《菩薩蠻·風柔日薄春猶早》中有“沉水臥時燒，香消酒未消”一句。沉香漸散，酒味未歇，香氣的繚繞彌漫，賦予了同樣的氣味在不同的時空中截然不同的感知體驗。氣味分子悄然攜帶著時間戳，乘著微風，將動態的化學信息遞送至我們的鼻腔，訴說給我們的大腦。

該研究得到了科技創新2030-“腦科學與類腦研究”重大項目（2021ZD0204200）、中國科學院（JCTD-2021-06）、國家自然科學基金（32430043，32200865）、中國博士后科學基金（No.2022M713345）以及中國科學院心理研究所青年人才科研啟動經費（No.E2CX6725CX）的支持。

研究成果近期在線發表于Nature Human Behaviour。心理所崗位博士后毋愚力為論文第一作者，心理所周雯研究員為通訊作者，心理所助理研究員陳科璞、博士研究生邢晨、博士研究生黃美賀以及俄亥俄州立大學的趙凱教授為論文共同作者。

Nature Human Behaviour同期在News and Views刊出了Timing Matters in Olfaction一文，對該研究進行了述評。國外多家主流媒體對這項工作進行了報道。

論文信息：

Wu, Y., Chen, K., Xing, C., Huang, M., Zhao, K. & Zhou, W.* Human olfactory perception embeds fine temporal resolution within a single sniff. Nature Human Behaviour,?https://doi.org/10.1038/s41562-024-01984-8