味觉与嗅觉的融合：人类脑岛中风味特异性神经编码的发现

本研究为解决风味感知中味觉与嗅觉整合的神经机制问题，通过功能磁共振成像(fMRI)和多变量模式分析(MVPA)技术，揭示了人类脑岛(dysgranular/agranular insula)存在风味特异性的跨模态神经编码，首次在人类中发现嗅觉刺激能诱发类似味觉的皮层响应模式，为解释"嗅觉诱导味觉"现象提供了神经基础，对理解多感官整合和饮食行为具有重要意义。

　　

当我们感冒鼻塞时，常常会感到食物"食之无味"，这种奇妙的现象揭示了味觉与嗅觉在风味感知中的紧密联系。实际上，在正常进食过程中，食物中的气味分子通过口腔后部到达嗅上皮（称为"鼻后嗅觉"），与味觉信号共同形成统一的风味感知。这种联系如此强烈，以至于特定的气味甚至能在没有实际味觉刺激的情况下诱发明显的味觉感受，例如草莓香气本身就会让人感到"甜"。这种类似联觉的现象表明，大脑中可能存在共享的神经机制来处理这两种化学感觉信号。

尽管行为学研究早已发现味觉与嗅觉之间的这种密切关系，但它们在中央神经系统中的整合机制仍不清楚。传统观点认为，味觉和嗅觉信息分别在脑岛（初级味觉皮层）和梨状皮层（初级嗅觉皮层）并行处理，最后在眶额皮层进行整合。然而，近年来的证据表明，这种整合可能发生在更早期的阶段。特别是在啮齿类动物中的研究发现，味觉皮层也对鼻后嗅觉刺激有响应，提示可能存在直接的嗅觉-味觉整合通路。

为了探索这一机制，研究人员开展了这项结合了风味绑定范式和多变量模式分析的功能磁共振成像研究。研究团队通过严谨的实验设计，让参与者先熟悉甜味和鲜味两种风味组合，随后在两次fMRI扫描中分别接受单独的味觉和嗅觉刺激。通过分析脑岛中的神经活动模式，他们发现了令人惊讶的结果：与特定味觉配对的鼻后气味能够激活与对应味觉相似的神经表征，特别是在脑岛的腹侧前部区域。这一发现为解释"气味能够尝起来像某种味道"这一日常现象提供了直接的神经证据。

研究采用了功能磁共振成像(fMRI)和多变量模式分析(MVPA)为主要技术方法，包括25名健康参与者（11男14女）的脑成像数据，通过口腔输送单模态化学感觉刺激（无味 odorants 和无气味 tastants），使用支持向量机(SVM)进行模式解码分析，采用留一交叉验证策略，并基于概率解剖图谱进行脑岛分区分析，同时运用动态因果模型(DCM)研究脑区间的有效连接。

任务设计

研究团队设计了精巧的实验范式来解决味觉-嗅觉整合的问题。25名参与者（11名男性，14名女性）在实验室会话中接受了 congruent 风味刺激（甜味溶液与甜味相关香气，鲜味溶液与鲜味相关香气），并执行识别和评分任务。在随后的两个扫描会话中，参与者被动接受之前暴露过的风味刺激的单模态成分（无气味味觉剂或无味气味剂）。每个扫描会话前，参与者还评估了每种刺激的愉悦度和强度，并再次执行识别任务以确保他们能够区分甜味和鲜味刺激。

特定感觉皮层的模态特异性激活

通过质量单变量通用线性模型(GLM)分析，研究发现无味气味剂的口腔输送引起了左侧梨状皮层的显著BOLD激活，这是初级嗅觉皮层的一部分。而无气味味觉剂与人工唾液对照相比，在双侧背中部脑岛显示出峰值激活，与经典初级味觉皮层的激活一致。值得注意的是，左侧半球的集群延伸到腹侧前脑岛的部分区域，在SVC后右侧腹侧前脑岛也观察到了显著集群。

脑岛中化学感觉刺激质量的身份特异性解码

为了测试脑岛中是否存在超越模态特异性单变量激活的身份特异性表征，研究者在双侧脑岛中进行了预注册的多变量模式分析(MVPA)解码。使用针对甜味、鲜味、甜味气味、鲜味气味和人工唾液的质量特异性回归器生成GLM，并在除一次运行外的所有运行上训练支持向量机(SVM)。如假设的那样，分类器能够区分甜味和鲜味（平均准确率57.31%），证实双侧脑岛中的味觉响应区域对不同味觉剂显示可分离的激活模式。更重要的是，气味质量同样可以被解码（平均准确率56.67%），表明这个味觉响应区域也对与味觉相关的气味显示差异激活。

跨模态共享表征的调谐指数重叠

通过对比两种模态中甜味与鲜味的统计参数图，研究者获得了每个条件下调谐指数的空间图。通过关联每种模态的调谐指数图可以推导出调谐指数重叠。在所有三个ROI中，跨模态解码准确率与调谐指数重叠程度强烈相关，表明跨模态解码准确率确实反映了跨模态的相似或重叠激活模式。

全脑搜索light分析和混淆矩阵

全脑搜索light分析揭示了除了脑岛之外的几个区域的显著跨模态解码，包括左侧眶额皮层(IOFC)和从下顶叶(IPL)延伸到双侧楔叶的区域。从脑岛搜索light峰值提取的混淆矩阵显示，甜味和"甜味"气味更可能被预测为甜味，而鲜味和"鲜味"气味容易相互混淆。相反，从IOFC峰值提取的混淆矩阵显示，相同风味质量（即与甜味或鲜味分别相关的气味和味觉）的刺激被解码器混淆的可能性相等。

风味表征随时间的变化

研究发现味觉质量解码器性能在不同日期训练和测试时显著下降，表明脑岛中基于模式的味道质量编码在不同日期间不稳定。通过表征相似性分析(RSA)量化运行间神经表征的漂移，发现脑岛风味表征在第一次会话中比第二次会话有更大的漂移，且不同风味间存在亚阈值 divergence。相反，OFC中的风味表征漂移在第二天没有显著减少，显示出相反的趋势，并具有风味表征的亚阈值收敛。

研究结果表明，味觉和鼻后嗅觉在 dysgranular 和 agranular 脑岛皮层中唤起共享的风味特异性神经编码，但在 granular 脑岛或梨状皮层中则没有。这一发现为食物消费过程中味觉和鼻后嗅觉的类联觉感知提供了神经基础，强调了脑岛作为风味成分间概念重叠表征的潜在枢纽作用。

研究还首次在人类中展示了味觉编码模式随时间的改变，与啮齿类动物味觉皮层的观察相似。这些发现共同揭示了化学感觉信号在进入OFC进行价值水平处理之前，确实在脑岛中整合成共享的对象表征。这种早期整合机制解释了味觉和气味之间强烈的知觉联系，可以通过食物消费过程中两种模态的同时刺激来解释。

该研究的重要意义在于：首先，它为"气味诱导味觉"现象提供了直接的神经证据，表明味觉 sensation 的发生是因为味觉皮层对真实味觉剂的响应方式相同；其次，它揭示了脑岛在风味整合中的关键作用，挑战了传统认为的OFC作为整合中心的观点；最后，研究发现的味道表征时间动态特性为理解神经可塑性和学习机制提供了新的视角。

这些发现对理解风味偏好获取和饮食模式具有重要启示，可能为开发改善饮食习惯和治疗饮食相关疾病的干预措施提供理论基础。未来研究可以进一步探索正鼻嗅觉与味觉之间的跨模态编码，以及这种机制如何调节对特定食物的食欲行为。