يناقش عالم الأحياء حساسية الرائحة البعدية للدماغ

يناقش عالم الأحياء حساسية الرائحة البعدية للدماغ

867-1 Save Our Earth Conference 2009, Multi-subtitles (أبريل 2019).

Anonim

معصوب العينين ، وطلب التمييز بين روز و ، مثلا ، الدخان من شمعة مشتعلة ، فإن معظم الناس يجدون المهمة سهلة. حتى التفريق بين نوعين من الورد يمكن أن يكون مفاجئًا لأن النظام الشمي البشري - المكون من الخلايا العصبية في أنوفنا وكل ما يسمح للدماغ بمعالجة الرائحة - له تأثير بارع. ولكن ما مدى حساسية الروائح المختلفة؟

في عام 2014 ، نشر فريق من العلماء من جامعة روكفلر بحثًا في مجلة ساينس العلمية ، قائلاً إن البشر يمكنهم تمييز ما لا يقل عن 1 تريليون روائح. وقد نشر ماركوس ميستر ، أستاذ العلوم البيولوجية في جامعة كاليفورنيا ، آن بي وبنيامين إف بياغيني ، بحثًا في مجلة eLife مفتوحة المصدر ، حيث ينازع على مطالبة عام 2014 ، قائلاً إن العلم لم يصل بعد إلى مكان حيث يمكن تحديد مثل هذا الرقم.

تحدثنا مؤخرا مع مايستر عن ورقته الجديدة وما يقوله عن الادعاء بأنه يمكننا التمييز بين تريليون ورائحة.

ماذا كان هدف ورقة عام 2014 ، ولماذا تعترضك؟

كان السؤال العلني الذي طرحه المؤلفان هو: ما هو عدد الروائح المختلفة التي يمكن أن يميزها البشر؟ هذا سؤال مثير للاهتمام بشكل طبيعي ، جزئياً لأنه في مجالات أخرى من البيولوجيا الحسية ، تمت الإجابة على أسئلة مماثلة بالفعل. يتخيل الناس حول الأرقام الدقيقة ، ولكن بشكل عام ، يتفق العلماء على أن البشر يمكنهم تمييز حوالي 1 إلى 2 مليون لون وشيء ما بترتيب 100000 نغمة نقية.

لكن الأمر المثير للاهتمام مثل السؤال ، أنا أزعم أننا ، كحقل ، غير مستعدين بعد لمعالجته. نحتاج أولاً إلى معرفة عدد الأبعاد التي تغطي الحيز المدرك للروائح. وأعني بذلك: كم عدد المتغيرات الشمية المطلوبة لوصف كامل الروائح التي يمكن أن يتعرض لها البشر؟

في حالة الرؤية البشرية ، نقول إن الفضاء الإدراكي للألوان له ثلاثة أبعاد ، وهو ما يعني أن كل ضوء مادي يمكن وصفه بثلاثة أرقام — كيف ينشط المستقبلات الضوئية المخروطية الحمراء والخضراء والزرقاء في الشبكية.

طالما أننا لا نعرف بعدية مساحة الرائحة ، لا نعرف كيف نبدأ حتى في تفسير القياسات. وبمجرد أن نعرف البعدية ، يمكننا أن نبدأ البحث في المساحة بشكل منهجي ونسأل عن عدد الروائح المختلفة التي تناسبها بنفس الطريقة التي نظرنا فيها إلى عدد الألوان المختلفة التي تناسب مساحة الفراغ ثلاثية الأبعاد.

إن الخطأ المفاهيمي الأساسي الذي ارتكبه مؤلفو ورقة العلوم هو افتراض أن مساحة إدراك الرائحة لها 128 بعدًا أو أكثر ثم تفسر البيانات كما لو كانت هذه هي الحالة.. . على الرغم من عدم وجود أي دليل على الإطلاق يشير إلى أن مساحة الرائحة لديها مثل هذه الأبعاد العالية.

ما الذي يجعل من الصعب تحديد بعدية الرائحة؟

حسنًا ، هناك شيئان. أولاً ، لا يوجد نظام إحداثيات طبيعي توجد فيه محفزات شمية. هذا يقف على النقيض من المحفزات البصرية والسمعية. على سبيل المثال ، يمكن تمثيل الأضواء أو النغمات (أحادية اللون) بشكل جيد كموجات جيبية ذات متغيرين فقط ، تردد الموجة واتساعها. يمكننا بسهولة التحكم في هذين المتغيرين ، وهما يتوافقان بشكل رائع مع الأشياء التي نتصورها. بالنسبة إلى النغمات الخالصة ، فإن سعة الموجة الجيبية تقابل ارتفاع الصوت ويتوافق التردد مع درجة الصوت المدركة. للضوء النقي ، يحدد التردد إدراكك للون ؛ إذا قمت بتغيير شدة الضوء ، فهذا يغير إدراكك للسطوع. تسمح لنا هذه المعلمات المادية البسيطة للتحفيز باستكشاف تلك المسافات بسهولة أكبر.

في حالة الروائح ، هناك على الأرجح عدة مئات الآلاف من المواد التي لها رائحة يمكن رؤيتها. لكن كلهم ​​لديهم هياكل مختلفة. لا توجد طريقة بديهية لتنظيم المحفزات. كان هناك بعض التقدم الأخير في هذا المجال ، لكننا لم ننجح بشكل عام في عزل بعض المتغيرات المادية التي يمكن أن تشكل الكثير من ما نمتازه.

ثمة جانب آخر من جوانب الشم الذي يعقد تفكير الناس هو أن لدى البشر حوالي 400 نوع من مستقبلات الرائحة الأولية. هذه هي الخلايا العصبية الفعلية في بطانة تجويف الأنف التي تكتشف الروائح. لذا عند مدخل النظام العصبي ، تتميز كل رائحة بالأفعال التي تقوم بها على 400 جهاز استشعار مختلف. وبناءً على ذلك ، قد تفترض أن الرائحة تعيش في مساحة أكبر بكثير من رؤية الألوان - واحدة ذات أبعاد تصل إلى 400.

لكن هل يمكن أن نتصور كل تلك الأبعاد الـ 400؟ لمجرد أن الروائح تسبب نوعًا مختلفًا من تنشيط الخلايا العصبية في الأنف ، فهذا لا يعني أنه بإمكانك التمييز بينهما. فكر في حاسة اللمس لدينا. كل واحد من شعيراتنا له جذور عديدة في المستقبل. إذا قمت بتشغيل مشط من خلال الشعر على رأسك ، يمكنك تنشيط مائة ألف مستقبل ميكانيكي في نمط معين. إذا قمت بتكرار الإجراء ، فأنت تقوم بتنشيط نمط مختلف من المستقبلات ، ولكنك لن تتمكن من إدراك الاختلاف. وبالمثل ، لا أعتقد أنه لا يوجد سبب للاعتقاد بأننا يمكن أن ندرك الفرق بين جميع الأنماط المختلفة لتفعيل الخلايا العصبية في التجويف الأنفي. وبالتالي ، يمكن أن يكون عدد الأبعاد أقل بكثير من 400. وفي الحقيقة ، اقترحت بعض الدراسات الحديثة أن تكون الرائحة في مساحة ذات 10 أبعاد إدراكية أقل.

تصف عملك في عملك بعض إخفاقات التصميم التجريبية الأساسية لورقة 2014. يمكنك المشي لنا من خلال هؤلاء؟

في الأساس ، تم إجراء اثنين من الأخطاء العلمية في الدراسة الأصلية. لديهم علاقة بمفهوم التجربة الإيجابية ومفهوم اختبار فرضيات بديلة.

في العلم ، عندما نأتي إلى طريقة جديدة لتحليل الأشياء ، نحتاج إلى إجراء اختبار - يسمى تحكمًا إيجابيًا - يمنحنا الثقة في أن التحليل الجديد يمكن أن يجد الإجابة الصحيحة في حالة حيث نعرف بالفعل ما هي الإجابة هو. لذا ، على سبيل المثال ، إذا كنت قد ابتكرت طريقة جديدة لوزن الأشياء ، فستحتاج إلى اختبارها من خلال قياس وزنك الذي تعرفه جيدًا بالفعل استنادًا إلى بعض الإجراءات المقبولة. إذا كان الإجراء الجديد يعطي إجابة مختلفة ، فإننا نقول إنه فشل في التحكم الإيجابي.

لم تتضمن ورقة 2014 اختبارًا إيجابيًا. في ورقي ، أقدم اثنين ؛ تطبيق النظام الذي يقترحه المؤلفون على ميكروب نموذجي بسيط ونظام الرؤية اللونية البشري. في كلتا الحالتين ، تأتي الإجابات خاطئة بسبب عوامل ضخمة.

الفشل الآخر لورقة 2014 هو فشل في التفكير في فرضيات بديلة. عندما يفسر العلماء نتائج التجربة ، نحتاج إلى تحليل فرضيات بديلة على نحو جاد إلى تلك التي نعتقد أنها الأكثر احتمالا ، وبيان السبب في أنها ليست تفسيرات معقولة لما نراه.

في تقريري ، أري أن نموذجًا بديلاً واضحًا - أي أن البشر لا يستطيعون سوى تمييز 10 روائح - يفسر البيانات تمامًا مثل التفسير المعقد جدًا الذي يقترحه المؤلفون ، والذي يتضمن 400 أبعاد و 1 تريليون من الروائع. ما يعنيه هذا حقاً هو أن التجربة كانت سيئة التصميم ، بمعنى أنها لم تقيد الإجابة على السؤال.

بالمناسبة ، هناك ورقة مرافقة كتبها Gerkin و Castro في نفس العدد من eLife التي تنتقد التصميم التجريبي من زاوية مختلفة تمامًا ، فيما يتعلق باستخدام الإحصائيات. لقد وجدت هذه المقالة مفيدة للغاية ، واستخدمتها بالفعل في التدريس.

كيف تقترح أن يذهب العلماء حول تحديد الأبعاد في مساحة الرائحة؟

تتمثل إحدى الأفكار الملموسة في محاولة معرفة عدد الأبعاد الموجودة بالقرب من نقطة معينة في ذلك الفضاء. إذا فعلت ذلك بالألوان ، فستصل إلى الرقم ثلاثة من الغالبية العظمى من النقاط. لذا أقترح أن نبدأ عند نقطة عشوائية في مساحة الرائحة - مثل خليط 50 في المائة من 30 روائح مختلفة - ونذهب بانتظام في كل اتجاه من هناك ونسأل: هل يمكن للإنسان أن يميز الرائحة فعليًا عند تغيير التركيز قليلاً صعودا أو هبوطا من هناك؟ إذا قمت بذلك في 30 بعدًا مختلفًا ، فقد تجد أن خمسة أبعاد فقط من هذه الأبعاد قد ساهمت في تغيير الرائحة المدركة وأن هناك تغيرًا طفيفًا على طول الأبعاد الأخرى. لذلك دعونا نفهم الأبعاد التي تأتي من دراسة كهذه. هل هما؟ على الاغلب لا. أود أن أخمن لشيء مثل 10 أو 20.

بمجرد أن نعرف ذلك ، يمكننا أن نبدأ في السؤال عن عدد الروائح التي تتناسب مع تلك المساحة.

لماذا كل هذا الأمر؟ لماذا نحتاج إلى معرفة عدد الروائح الكريهة التي نشمها؟

إن مسألة عدد الروائح التي يمكن أن نميزها قد فتنت الناس لمدة قرن على الأقل ، وكانت صناعة النكهات والعطور برمتها مهتمة جدا في معرفة ما إذا كانت هناك مجموعة منهجية من القواعد التي يمكن من خلالها الجمع بين بعض العدد الصغير من الروائح الأولية من أجل إنتاج أي رائحة الهدف.

في مجال رؤية الألوان ، تم حل هذه المشكلة. ونتيجة لذلك ، نستخدم جميعًا شاشات ملونة تحتوي على ثلاثة أنواع من الأضواء فقط - الأحمر والأخضر والأزرق. ومع ذلك ، من خلال مزجها معًا ، يمكنها جعل كل انطباع عن ألوانك قد يهمك. لذلك هناك حافز تقني حقيقي لاكتشاف كيف يمكنك مزج المحفزات الأولية لجعل أي نوع من الرائحة المدركة.

ما الدرس الكبير الذي ترغب في أن يستخلصه الناس من هذا التبادل العلمي؟

أحد الدروس التي أحاول أن أنقلها إلى طلابي هو قيمة محاكاة بسيطة - لطرحها ، "هل يمكن أن تعمل هذه الفكرة حتى من حيث المبدأ؟ دعونا نجربها في أبسط الحالات التي يمكننا تخيلها". هذا النوع من الفرز يمكن أن يمنعك من السير في مسار غير منتج.

على نحو أكثر عمومية ، ينبغي أن يظل الناس متشككين في الادعاءات المدهشة. وهذا مهم بشكل خاص عندما نحكم على الدوريات ذات البريق العالي ، حيث يكون لدى المحررين ميلاً للنتائج غير المتوقعة. كمجتمع ، يجب أن ندع الأمور تنضج قليلاً قبل أن ندعو إلى إدعاء مذهل ليصبح الحكمة التقليدية. ربما نحن جميعا بحاجة إلى التوقف ورائحة الورود.