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“口渴就该喝水”“哦,你好懂哦!你怎么知道你喝的就是水?”

        当下流行的VR就是通过渲染出虚拟三维环境的投影,结合机械振动与环境声音,瞒天过海,给人身临其境的感受。那么视觉以外,人体的其它感觉能不能被欺骗呢?最近《自然·神经科学》的一项研究,通过光遗传学技术,成功欺骗了小鼠,让小鼠把光线当成了水。

        要理解哺乳动物如何感受“喝水”这一行为,我们要先从“品味”讲起。

        我们感知的食物的”味道”,是味觉和嗅觉的共同作用。味觉来自于味觉感受细胞(Taste Receptor Cells, TRC),这些细胞聚集成簇,形成一团团被称为”味蕾”(taste bud)的结构。每一个味蕾中,都有不同类型的味觉感受细胞,这些细胞具有不同的味觉受体,可以响应食物的不同味道。目前总共发现了5种不同的味觉,分别为酸、甜、苦、咸和鲜味(就是味精味)。当食物中带有不同味道的分子(或者离子)与相应的味觉受体结合时,这些味觉受体就会产生一个被称为”动作电位”的电信号。这个信号会被传导至与味觉感受细胞相连的感觉神经元,经过几级神经元的接力,最终会激活大脑味觉感受皮层的神经元,让我们产生味觉。

 图片来源:参考文献[1]

       小鼠舌的味蕾被染色成了蓝色,图中每一个小蓝点对应一个味蕾。人的舌表面也有类似的味蕾分布。 

       在化学上,水是”无色无味无嗅”的液体,似乎不会触发任何一种味觉感受细胞。但是,水是生存必需的成分之一,在干旱缺水环境中,“意识到自己喝到了水”这件事情对于生物的生存至关重要。为了理解哺乳动物是如何感受到水,加州理工学院的Yuki Oka实验室就用小鼠做了一系列实验,看看小鼠能不能分辨水和其他类似的液体。

        实验小组发现,小鼠喝水的时候,响应味觉的感觉神经元被激活了;而如果给小鼠喝同样是无色无味的硅油(常见的医用润滑剂),这些感觉神经元就没有什么响应——这就是说,小鼠似乎能够分辨出水的味道!难道我们一直以来对于水“无味”的描述都是错误的吗?进一步的实验发现,小鼠其实并不能直接尝出水的味道,它们只是感觉到了自己的唾液和水的差异——唾液中含有少量的碳酸氢盐,呈弱碱性;而天然水因为溶解了微量二氧化碳的缘故,呈中性,或弱酸性。饮水后,口腔中的唾液被水替代,导致口腔酸碱度(pH)下降,进而激活感受酸味的味觉受体,让小鼠得知自己喝到了水。

 图片来源:参考文献[2]

        味蕾中的味觉感受细胞激活感觉神经元,经过面神经(前2/3舌)、舌咽神经(后1/3舌)或者迷走神经(软腭和会厌)传入延髓,再几经辗转到达大脑味觉中枢产生味觉。 

        既然饮水激活了小鼠味蕾里面的酸味感受细胞,那么小鼠对于“水”的感觉,就是”酸味”的感觉了。但是,这个结论完全背离了我们的生活经验——我们喝水的时候,似乎从来不会感觉到嘴里有酸味;而我们喝有酸味的饮料,比如橙汁和酸奶的时候,也从来不会把这些东西误认为是水。

        实验小组发现,对“水”的感觉虽然使用的是酸味受体,但是和平时的酸味有所不同——小鼠对于“水”的判定是相对的。只有当口腔呈弱碱性,即pH高于7的时候,小鼠才会对水有味觉响应;当小鼠的口腔为弱酸性pH为6.5时,对水就失去了响应。如果给小鼠喝弱碱性的水,味觉的感觉神经元也没有响应。我们喝的有酸味的饮品,pH大都是低于6的,口腔被迅速酸化,因此感觉和饮水完全不同。值得一提的是,现在流行的弱碱性水也不会激活这些味觉感受细胞,所以弱碱性水没有”水”味,不过我们依然可以根据水的温度、触感等其他感觉来感受到”喝水”。

       既然饮水的感觉是大脑对口腔pH变化的感知,那么给大脑传递口腔pH变酸的信号,不就可以直接模拟出饮水的感觉了吗?Yuki Oka实验室利用光遗传学技术(optogenetics)操控小鼠的味觉,验证了这个猜想。

 

图片来源:参考文献[3]

       在对照组正常小鼠的眼里,蓝光就是蓝光,并没什么特别的。 

       在这个实验中,小鼠口腔中的酸味感受细胞被转基因表达了光敏通道。光敏通道是一类表达在细胞表面的光控离子通道,在被特定波长的光线照射后,通道开放,引发细胞内外离子浓度的变化,从而激活所在的细胞产生一个电信号。漫长的神经通路并不能够区分这个电信号是来自特定分子对味觉受体的刺激,还是来自光对光敏通道的刺激。经过神经元之间的层层传导,光线照射所引发的“李鬼”信号最终会激活大脑味觉感受皮层的神经元,让小鼠产生味觉。由于这个转基因光敏通道仅在酸味细胞中表达,通过特定光线激活产生的“味觉”信号就会被小鼠的大脑翻译为“酸味”了。

       这批转基因小鼠的悲惨命运就不难想象了——“光控”小鼠在口渴的时候,如果不小心走入了蓝光(即激活光敏通道所需波长的光线)照射的区域,就会把蓝光当做水流,对着光线忘情而投入地舔起来,好像在蓝光里喝到了琼浆玉露;而作为对照的非转基因鼠则能够“保持理智”,并不对蓝光有更多的好奇,口渴时也不会在蓝光里多做逗留。

 

图片来源:参考文献[4]

     转基因小鼠会误把蓝光当作水。 

     欺骗大脑就是这么简单。如果以后的虚拟现实不仅仅能模拟视觉和触觉,还能模拟嗅觉和味觉,让人自虚空之中也能如临其境地朵颐与畅饮——你期待吗?

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