記者 車家竹
與“看得見，摸得著”相比，“聞得到”仿佛在感知中常被忽略，而嗅覺被視作人類反應(yīng)最“遲鈍”的感官。中國(guó)科學(xué)院心理研究所研究員周雯與團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一款高時(shí)間精度的“嗅覺儀”，首次將人們對(duì)人類嗅覺時(shí)間分辨率的認(rèn)識(shí)提升至“毫秒級(jí)”。
“這項(xiàng)研究為人類嗅覺的高時(shí)間分辨率提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，表明嗅覺的時(shí)間分辨率甚至可以與視覺相媲美。”該論文一位國(guó)際審稿人評(píng)價(jià)說(shuō)。
近日，中國(guó)科學(xué)院心理研究所研究員周雯接受記者采訪。
中國(guó)科學(xué)院心理研究所毋愚力博士（論文一作）和“吸氣同步嗅覺儀”。 圖源：中國(guó)科學(xué)院心理研究所人類嗅覺實(shí)驗(yàn)室
巧妙開發(fā)高時(shí)間精度控制的“嗅覺儀”
對(duì)于人與其他哺乳動(dòng)物來(lái)說(shuō)，嗅覺一般依賴于在吸氣過(guò)程中聞到的氣味。人類的吸氣通常持續(xù)1~3秒，這曾被認(rèn)為達(dá)到了嗅覺感知化學(xué)環(huán)境的時(shí)間極限。
飄忽不定的氣味，為何如此之“慢”？周雯解釋道：“人們通常在吸氣時(shí)才能感知?dú)馕叮@使得實(shí)驗(yàn)中很難高精度地捕捉人類嗅覺的時(shí)間分辨能力，從而限制了人們對(duì)嗅聞速度和區(qū)分味道能力的準(zhǔn)確評(píng)估。”
怎樣將氣味進(jìn)行量化？周雯說(shuō)：“傳統(tǒng)嗅覺儀通過(guò)氣泵驅(qū)動(dòng)氣流，用‘吹’的方式將不同的氣味溶液送到鼻腔。這個(gè)設(shè)計(jì)可以通過(guò)電磁閥控制具體的氣流‘吹’向不同氣味罐，并且可以在不同氣味的通道間切換。”想要什么味道就打開相應(yīng)氣味通道的電磁閥，不使用關(guān)閉即可。
然而這個(gè)設(shè)計(jì)中也存在無(wú)法避免的問題，當(dāng)氣流不斷輸送時(shí)，此刻的呼吸狀態(tài)是怎樣的？“吸氣和呼氣的邊界沒有辦法完全被劃分開，在這種方式下，無(wú)法準(zhǔn)確地將氣味送到某個(gè)特定的相位或時(shí)間。”周雯補(bǔ)充道。同時(shí)，目前市面上的嗅覺儀基本上只能“粗糙”呈現(xiàn)氣味。
周雯和團(tuán)隊(duì)研發(fā)的這款高時(shí)間精度的“嗅覺儀”，能夠在一次自然地吸氣中將不同氣味依序呈現(xiàn)至鼻腔，并對(duì)氣味間的時(shí)間間隔進(jìn)行高精度控制，時(shí)間控制精度達(dá)到18毫秒，相當(dāng)于普通液晶顯示屏一幀的時(shí)長(zhǎng)。
聞得快還是看得快？“一眨眼間”的嗅覺
周雯坦言，在高時(shí)間精度的“嗅覺儀”研發(fā)的過(guò)程中，她和團(tuán)隊(duì)采取了不同的思路：將氣味瓶裝上一個(gè)單向閥，就可以利用負(fù)壓驅(qū)動(dòng)單向閥，只要控制不同氣味通道的長(zhǎng)度，就能控制兩個(gè)氣味在一次吸氣里到達(dá)鼻腔的先后和時(shí)間間隔。周雯解釋說(shuō)：“人在吸氣時(shí)胸腔會(huì)變大，與外界產(chǎn)生壓強(qiáng)差，而負(fù)壓會(huì)導(dǎo)致外界空氣進(jìn)入我們的鼻腔和肺部，這個(gè)負(fù)壓本身的值并不小。”
“直接用吸氣產(chǎn)生的負(fù)壓來(lái)控制氣流，進(jìn)而將氣味傳遞至鼻腔。同時(shí)，我們借助單向閥來(lái)控制氣味通道的開關(guān)，單向閥的打開也是源于吸氣產(chǎn)生的壓強(qiáng)差，不吸氣時(shí)閥門則保持關(guān)閉，阻止氣味以布朗運(yùn)動(dòng)方式彌散。這樣就能將氣味呈現(xiàn)鎖相至一次吸氣的不同階段。”周雯補(bǔ)充說(shuō)。
之后，研究人員又招募了229名受試者參與嗅覺實(shí)驗(yàn)。“我們請(qǐng)這些受試者嗅聞按不同順序釋放的氣味分子，并在20—400毫秒的區(qū)間內(nèi)操縱了這些氣味分子釋放的相對(duì)時(shí)間間隔，以測(cè)查受試者的嗅覺時(shí)間敏感性。”周雯說(shuō)，受試者需分辨呈現(xiàn)的氣味序列的異同，組成氣味序列的分子共有四種，分別具有蘋果、花香、洋蔥、檸檬的氣味，部分受試者還對(duì)氣味序列與其成分的相似性作出了評(píng)價(jià)。
模擬嗅聞時(shí)，空氣中的微小化學(xué)顆粒進(jìn)入鼻腔，感知到的氣味隨時(shí)間變化。 版權(quán)所有：中國(guó)科學(xué)院心理研究所
研究結(jié)果表明，當(dāng)兩種氣味分子釋放的間隔僅為60毫秒時(shí)，受試者即可分辨出由兩種氣味組成的氣味序列的異同。而60毫秒約是一次眨眼所需時(shí)間的1/3，接近于視覺對(duì)紅綠閃爍的分辨率。
科研人員還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩種氣味成分的呈現(xiàn)間隔時(shí)間延長(zhǎng)到100—200毫秒時(shí)，受試者會(huì)感覺混合物聞起來(lái)更像先呈現(xiàn)的氣味成分。這表明在對(duì)氣味混合物的感知中，先呈現(xiàn)的氣味成分對(duì)于氣味整體性的知覺更加重要。“這個(gè)時(shí)間信息決定了我們聞到的東西是什么樣的。”周雯說(shuō)。
有極大想象空間的嗅覺
有趣的是，一些嗅覺超群的人，如蘇格蘭退休護(hù)士Joy Milne，甚至能夠辨別出帕金森病患者特有的“麝香”體味。研究者據(jù)此在帕金森患者皮膚上發(fā)現(xiàn)了一些獨(dú)特的化學(xué)分子，可能為帕金森病早期診斷提供新的可能性。
嗅覺不僅可以作為空間導(dǎo)航的重要線索，還會(huì)影響人們對(duì)視覺客體的感知，是人類知覺的重要維度。“對(duì)于氣味的呈現(xiàn)，與氣味分子有關(guān)，也與遞送的時(shí)間序列有關(guān)。”周雯舉了一個(gè)例子說(shuō)明：“想象一下，在一個(gè)虛擬的嗅覺場(chǎng)景內(nèi)，當(dāng)一個(gè)人行走在大街上，大街的一邊是糕點(diǎn)店，另外一邊較遠(yuǎn)的地方有一家咖啡店，當(dāng)糕點(diǎn)店的氣味優(yōu)先于咖啡店的氣味出現(xiàn)時(shí)，就能在這個(gè)場(chǎng)景中通過(guò)氣味判斷行進(jìn)方向和位置遠(yuǎn)近。”
這款高時(shí)間精度的“嗅覺儀”會(huì)有怎樣的應(yīng)用場(chǎng)景？周雯提到，目前少有機(jī)器人具備嗅覺感知，機(jī)器人更多在視覺、觸覺、聽覺等感知信息上處理得比較好，未來(lái)如果將嗅覺納入機(jī)器人的感知系統(tǒng)，或有助開啟新的應(yīng)用領(lǐng)域。
感知覺研究是心理學(xué)的二級(jí)分支學(xué)科基礎(chǔ)心理學(xué)中重要的研究課題。過(guò)去15年，周雯帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)作出的系列研究表明，人類的嗅覺遠(yuǎn)比我們想象的要敏銳得多。環(huán)境中的物理化學(xué)信號(hào)如何轉(zhuǎn)化為人的感知體驗(yàn)并驅(qū)動(dòng)行為，是周雯及其團(tuán)隊(duì)持續(xù)努力的方向。
“對(duì)于嗅覺不太敏感的個(gè)體，我們也希望能夠通過(guò)嗅覺訓(xùn)練或是電子鼻等，拓展其感知空間，未來(lái)，或許也可以通過(guò)腦機(jī)接口，將化學(xué)信息輸送給人的嗅覺皮層，或是反過(guò)來(lái)將人腦想象的氣味解碼并調(diào)配出來(lái)。”面對(duì)未來(lái)，周雯認(rèn)為嗅覺仍然有極大的想象空間。
