心理所研究揭示人类在一次嗅探中具有精细的时间分辨能力

东篱把酒黄昏后，有暗香盈袖。

冷艳全欺雪，余香乍入衣。

在每一缕微风中，弥漫着无数看不见的化学分子。它们随着我们的一呼一吸，在鼻腔中游走徘徊，谱写出一场无声的气味交响。依赖于呼吸的嗅觉采样方式，乍看之下似乎束缚了人类感知气味的速度。长期以来，嗅觉被视作是个体迟钝的、反应很慢的感官。近期，中国科学院心理研究所的周雯研究员及团队开展了一项研究对这一观点提出了挑战，并发现人类能够在一次嗅探的过程中感知到气味分子精细的时间动态变化。

“工欲善其事，必先利其器”，研究者首先开发了一种独特的“吸气同步嗅觉仪”（图1a）。该设备能够在一次自然的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（Stimulus Onset Asynchronies，SOA）进行高精度的控制（图1b），控制精度达到18毫秒，相当于普通液晶显示屏（60 Hz）一帧的时长。

借助这一装置，研究者生成了不同的气味分子序列，如A分子先于B分子（A→B），或B分子先于A分子（B→A），并系统操控了A和B间的SOA。一次吸气自动触发一个气味分子序列的呈现，吸气停止，则气味也自然中止。这让研究者得以考察不同的SOA下，气味分子的先后顺序是否影响人类的知觉输出，即是否产生不同的气味感知（图1c）。

图1. a. 吸气同步嗅觉仪示意图。b. SOA与管长差和吸气流速关系模型。c. 气味序列分辨流程。

在多个实验里，研究者操控SOA在约20毫秒到400毫秒的范围内变化，系统测试了参与者的嗅觉时间敏感性。实验中使用的气味分子共有四种，分别具有花香、苹果、柠檬、洋葱的气味。结果显示，当SOA仅为60毫秒时，参与者便能分辨出A→B与B→A的差异。60毫秒大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（颜色闪光融合频率：10-20 Hz）。随着SOA的增长，参与者对A→B与B→A的分辨能力愈发精准，同时，这一能力并不依赖于对A和B的先后顺序的再认。

该研究表明，一次1-3 s的吸气并非对化学环境的一次1-3 s的长曝光拍摄。实际上，一次吸气生成的“气味”中内嵌着丰富的时间动态细节，其时间敏感度与我们对色彩的感知相当。这也为气味客体的“时间编码”理论提供了行为证据，加深了我们对气味感知背后的时间维度的理解。此外，这项工作提出的高时间精度控制气味的方法也对电子鼻、嗅觉VR等的设计有启发作用。

李清照的《菩萨蛮·风柔日薄春犹早》中有“沉水卧时烧，香消酒未消”一句。沉香渐散，酒味未歇，香气的缭绕弥漫，赋予了同样的气味在不同的时空中截然不同的感知体验。气味分子悄然携带着时间戳，乘着微风，将动态的化学信息递送至我们的鼻腔，诉说给我们的大脑。

该研究得到了科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目（2021ZD0204200）、中国科学院（JCTD-2021-06）、国家自然科学基金（32430043，32200865）、中国博士后科学基金（No.2022M713345）以及中国科学院心理研究所青年人才科研启动经费（No.E2CX6725CX）的支持。

研究成果近期在线发表于Nature Human Behaviour。心理所岗位博士后毋愚力为论文第一作者，心理所周雯研究员为通讯作者，心理所助理研究员陈科璞、博士研究生邢晨、博士研究生黄美贺以及俄亥俄州立大学的赵凯教授为论文共同作者。

Nature Human Behaviour同期在News and Views刊出了Timing Matters in Olfaction一文，对该研究进行了述评。国外多家主流媒体对这项工作进行了报道。

论文信息：

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