你的嗅觉远比想象中更灵敏 中国团队首次评估嗅觉时间分辨率|科技观察

全文2000字,阅读约需6分钟,帮我划重点

划重点

01中国科学院心理研究所研究员周雯与团队开发了一款高时间精度的“嗅觉仪”,将人们对人类嗅觉时间分辨率的认识提升至“毫秒级”。

02该嗅觉仪能够在一次自然地吸气中将不同气味依序呈现至鼻腔,时间控制精度达到18毫秒,相当于普通液晶显示屏一帧的时长。

03研究结果表明,当两种气味分子释放的间隔仅为60毫秒时,受试者即可分辨出由两种气味组成的气味序列的异同,接近于视觉对红绿闪烁的分辨率。

04未来,如果将嗅觉纳入机器人的感知系统,或有助开启新的应用领域。

以上内容由腾讯混元大模型生成,仅供参考

封面新闻记者 车家竹

与“看得见,摸得着”相比,“闻得到”仿佛在感知中常被忽略,而嗅觉被视作人类反应最“迟钝”的感官。中国科学院心理研究所研究员周雯与团队开发了一款高时间精度的“嗅觉仪”,首次将人们对人类嗅觉时间分辨率的认识提升至“毫秒级”。


“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。”该论文一位国际审稿人评价说。


近日,中国科学院心理研究所研究员周雯接受封面新闻记者采访。


图片

中国科学院心理研究所毋愚力博士(论文一作)和“吸气同步嗅觉仪”。图源:中国科学院心理研究所人类嗅觉实验室

1

巧妙开发高时间精度控制的“嗅觉仪”

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,这曾被认为达到了嗅觉感知化学环境的时间极限。

飘忽不定的气味,为何如此之“慢”?周雯解释道:“人们通常在吸气时才能感知气味,这使得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。”

怎样将气味进行量化?周雯说:“传统嗅觉仪通过气泵驱动气流,用‘吹’的方式将不同的气味溶液送到鼻腔。这个设计可以通过电磁阀控制具体的气流‘吹’向不同气味罐,并且可以在不同气味的通道间切换。”想要什么味道就打开相应气味通道的电磁阀,不使用关闭即可。

然而这个设计中也存在无法避免的问题,当气流不断输送时,此刻的呼吸状态是怎样的?“吸气和呼气的边界没有办法完全被划分开,在这种方式下,无法准确地将气味送到某个特定的相位或时间。”周雯补充道。同时,目前市面上的嗅觉仪基本上只能“粗糙”呈现气味。

周雯和团队研发的这款高时间精度的“嗅觉仪”,能够在一次自然地吸气中将不同气味依序呈现至鼻腔,并对气味间的时间间隔进行高精度控制,时间控制精度达到18毫秒,相当于普通液晶显示屏一帧的时长。

2

闻得快还是看得快?“一眨眼间”的嗅觉

周雯坦言,在高时间精度的“嗅觉仪”研发的过程中,她和团队采取了不同的思路:将气味瓶装上一个单向阀,就可以利用负压驱动单向阀,只要控制不同气味通道的长度,就能控制两个气味在一次吸气里到达鼻腔的先后和时间间隔。周雯解释说:“人在吸气时胸腔会变大,与外界产生压强差,而负压会导致外界空气进入我们的鼻腔和肺部,这个负压本身的值并不小。”

“直接用吸气产生的负压来控制气流,进而将气味传递至鼻腔。同时,我们借助单向阀来控制气味通道的开关,单向阀的打开也是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。这样就能将气味呈现锁相至一次吸气的不同阶段。”周雯补充说。

之后,研究人员又招募了229名受试者参与嗅觉实验。“我们请这些受试者嗅闻按不同顺序释放的气味分子,并在20—400毫秒的区间内操纵了这些气味分子释放的相对时间间隔,以测查受试者的嗅觉时间敏感性。”周雯说,受试者需分辨呈现的气味序列的异同,组成气味序列的分子共有四种,分别具有苹果、花香、洋葱、柠檬的气味,此外,部分受试者还对气味序列与其成分的相似性作出了评价。

图片

模拟嗅闻时,空气中的微小化学颗粒进入鼻腔,感知到的气味随时间变化。版权所有:中国科学院心理研究所

研究结果表明,当两种气味分子释放的间隔仅为60毫秒时,受试者即可分辨出由两种气味组成的气味序列的异同。而60毫秒约是一次眨眼所需时间的1/3,接近于视觉对红绿闪烁的分辨率。

科研人员还发现,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。“这个时间信息决定了我们闻到的东西是什么样的。”周雯说。

3

有极大想象空间的嗅觉

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。

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,是人类知觉的重要维度。“对于气味的呈现,与气味分子有关,也与递送的时间序列有关。”周雯举了一个例子说明:“想象一下,在一个虚拟的嗅觉场景内,当一个人行走在大街上,大街的一边是糕点店,另外一边较远的地方有一家咖啡店,当糕点店的气味优先于咖啡店的气味出现时,就能在这个场景中通过气味判断行进方向和位置远近。”

这款高时间精度的“嗅觉仪”会有怎样的应用场景?周雯提到,目前少有机器人具备嗅觉感知,机器人更多在视觉、触觉、听觉等感知信息上处理得比较好,未来如果将嗅觉纳入机器人的感知系统,或有助开启新的应用领域。

感知觉研究是心理学的二级分支学科基础心理学中重要的研究课题。过去15年,周雯带领团队作出的系列研究表明,人类的嗅觉远比我们想象的要敏锐得多。环境中的物理化学信号如何转化为人的感知体验并驱动行为,是周雯及其团队持续努力的方向。

“对于嗅觉不太敏感的个体,我们也希望能够通过嗅觉训练或是电子鼻等,拓展其感知空间,未来,或许也可以通过脑机接口,将化学信息输送给人的嗅觉皮层,或是反过来将人脑想象的气味解码并调配出来。”面对未来,周雯认为嗅觉仍然有极大的想象空间。

(图片由受访者提供)

【如果您有新闻线索,欢迎向我们报料,一经采纳有费用酬谢。报料微信关注:ihxdsb,报料QQ:3386405712】