嗅覚

味覚は、聴覚、味覚、触覚、嗅覚の感覚情報の集合体です。^{[ 18 ]}後鼻腔の嗅覚は、味覚の感覚において最も大きな役割を果たします。咀嚼の過程で、舌は食物を操作して匂い物質を放出します。これらの匂い物質は、呼気中に鼻腔に入ります。^{[ 19 ]}食物の匂いは、咀嚼中の運動皮質と嗅上皮の同時活性化により、口の中にあるような感覚になります。^{[ 18 ]}

嗅覚、味覚、三叉神経受容体（化学感覚とも呼ばれる）が一体となって風味に寄与する。人間の舌は味の5つの異なる性質しか区別できないが、鼻は微量であっても数百種類の物質を区別できる。匂いが風味に寄与するのは呼気の時であり、本来の匂いが寄与するのは呼吸の吸気の時である。^{[ 19 ]}嗅覚系は、視床を迂回して前脳に直接接続する唯一の人間の感覚である。^{[ 20 ]}

げっ歯類の嗅覚結節では、嗅覚と聴覚の情報が収束することが示されている。^{[ 21 ]}この神経収束は、スマウンドと呼ばれる知覚を生み出すと考えられている。^{[ 22 ]}フレーバーは嗅覚と味覚の相互作用から生じるが、スマウンドは嗅覚と聴覚の相互作用から生じる可能性がある。

MHC遺伝子（ヒトではHLAとして知られる）は、多くの動物に存在する遺伝子群であり、免疫系にとって重要である。一般的に、異なるMHC遺伝子を持つ親から生まれた子孫は、より強い免疫系を持つ。魚、マウス、そしてヒトの女性は、潜在的な性的パートナーのMHC遺伝子の何らかの側面を嗅ぎ分けることができ、自分とは異なるMHC遺伝子を持つパートナーを好む。^{[ 23 ] [ 24 ]}しかし、ホルモン避妊薬を服用すると、MHC遺伝子が異なるパートナーに対する女性の好みが変化し、結果として、自分と比較的類似したMHC遺伝子を持つパートナーを選ぶ可能性が高くなることを示唆する研究もある。^{[ 25 ] [ 26 ]}性的指向もさまざまな体臭に対する好みに影響を与える可能性があり、いくつかの研究では、その好みは推定フェロモンANDとESTによって影響を受ける可能性があることが示唆されている。^{[ 27 ]}

人間は嗅覚で血縁者を感知できる。^{[ 28 ]}母親は体臭で実子を識別できるが継子は識別できない。思春期前の子供は嗅覚で同胞を感知できるが異母兄弟や継兄弟は感知できず、これが近親相姦回避やウェスターマーク効果を説明する可能性がある。^{[ 29 ]}機能画像解析によると、この嗅覚による血縁関係の検出プロセスには前頭側頭接合部、島皮質、背内側前頭前野が関与するが、一次または二次嗅覚皮質、あるいは関連する梨状皮質や眼窩前頭皮質は関与しない。^{[ 30 ]}

近親交配は有害であるため、避けられる傾向がある。ハツカネズミでは、主要尿タンパク質（MUP）遺伝子クラスターが遺伝的同一性を示す高度に多型的な匂いシグナルを提供し、これが血縁認識と近親交配回避の根底にあると考えられる。そのため、ランダム交配の場合に予想されるよりも、MUPハプロタイプを共有するマウス間の交配は少ない。^{[ 31 ]}

動物の中には、移動の指針として匂いの痕跡を利用するものもいる。例えば、社会性昆虫は食料源まで匂いの痕跡を残したり、追跡犬は標的の匂いをたどったりする。さまざまな種において、勾配探索や走化性、風走性、傾斜走性、走向性など、数多くの匂い追跡戦略が研究されてきた。これらの戦略の成功は、追跡している空気の流れの乱流によって左右される。 ^{[ 32 ] [ 33 ]}

1920年代の印象論的な発見に基づく従来の通説や一般向けの文献では、人間の嗅覚はおよそ1万種類の匂いを区別できると長らく考えられてきたが、最近の研究では、平均的な人は1兆種類以上の匂いを区別できることが示唆されている。^{[ 42 ]} 128種類以上の匂い分子の組み合わせと、最大30種類の異なる構成分子の組み合わせに対する精神物理学的反応をテストした最新の研究では、この推定値は「控えめ」であり、研究対象者の中には1000兆種類の匂い物質を識別できる人もいるかもしれないと指摘し、最も成績の悪い人でもおそらく8000 万種類の匂いを区別できるだろうと付け加えた。^{[ 43 ]}この研究の著者らは、「これは、これまで推定されてきた識別可能な嗅覚刺激の数をはるかに上回る。これは、数百種類の異なる嗅覚受容体を持つ人間の嗅覚系が、物理的に異なる刺激を識別できる数において、他の感覚をはるかに凌駕していることを示している」と結論付けた。^{[ 44 ]}しかし、著者らは、匂いを区別する能力は、匂いを一貫して識別できる能力とは類似しておらず、被験者は通常、研究者らが複数の匂い分子から作成した匂いの中から個々の匂い刺激物質を識別することができなかったことも指摘した。2014 年 11 月、この研究は、カリフォルニア工科大学の科学者 Markus Meister によって強く批判され、同氏は、この研究の「大げさな主張は数学的論理の誤りに基づいている」と書いた。^{[ 45 ] [ 46 ]}今度は、彼の論文の論理が、元の論文の著者らによって批判されている。^{[ 47 ]}

ヒトや他の脊椎動物では、匂いは嗅上皮の嗅覚感覚ニューロンによって感知されます。嗅上皮は、少なくとも 6 種類の形態学的および生化学的に異なる細胞で構成されています。^{[ 20 ]}呼吸上皮 (神経支配を受けていない、または神経が供給されていない) と比較した嗅上皮の割合は、動物の嗅覚感度の指標となります。ヒトの嗅上皮は約10 cm ² (1.6平方インチ)ですが、犬の中には170 cm ² (26平方インチ)のものもあります。犬の嗅上皮は神経支配もかなり密で、1 平方センチメートルあたり受容体が 100 倍多く存在します。^{[ 48 ]}感覚嗅覚系は他の感覚と統合して味覚の知覚を形成します。^{[ 18 ]}陸上生物は、嗅覚と味覚のために別々の嗅覚系（鼻腔嗅覚と鼻腔後嗅覚）を持つことが多いが、水生生物は通常、1つのシステムしか持たない。^{[ 49 ]}      

鼻腔の上鼻甲介を通過する匂い分子は、鼻腔上部を覆う粘液に溶解し、嗅覚感覚ニューロンの樹状突起にある嗅覚受容体によって感知されます。これは拡散によって起こる場合もあれば、匂い分子が匂い結合タンパク質に結合することによって起こる場合もあります。上皮を覆う粘液には、ムコ多糖類、塩類、酵素、抗体が含まれています（これらは、嗅覚ニューロンが感染が脳に伝わる直接的な経路となるため、非常に重要です）。この粘液は匂い分子の溶媒として働き、絶えず流れ、約10分ごとに交換されます。

昆虫では、匂いは化学感覚感覚器にある嗅覚ニューロンによって感知されます。化学感覚感覚器は、昆虫の触角、触肢、跗節だけでなく、体の他の部分にも存在します。匂い物質は化学感覚感覚器のクチクラ孔に浸透し、昆虫の匂い結合タンパク質（OBP）または化学感覚タンパク質（CSP）と接触した後、感覚ニューロンを活性化します。

リガンド（匂い分子または匂い物質）が受容体に結合すると、生物種によって異なるセカンドメッセンジャー経路を介して、受容体ニューロンに活動電位が発生します。哺乳類では、匂い物質はGタンパク質である_Golfを介してアデニル酸シクラーゼを刺激し、 cAMPを合成します。ここでセカンドメッセンジャーとなるcAMPは、環状ヌクレオチド依存性イオンチャネル（CNG）を開き、カチオン（主にCa2 ⁺、一部Na ⁺ ）を細胞内に流入させ、細胞をわずかに脱分極させます。Ca2 ^{+はCa2 +}活性化塩化物チャネルを開き、 Cl−^の流出を引き起こし、細胞をさらに脱分極させて活動電位を発生させます。その後、 Ca2 ^+はナトリウム-カルシウム交換体を介して細胞外に排出されます。カルシウム-カルモジュリン複合体は、cAMP依存性チャネルへのcAMPの結合を阻害する働きもしており、嗅覚順応に寄与しています。

一部の哺乳類の主要な嗅覚系には、匂いをやや異なる方法で検出および伝達する嗅覚感覚ニューロンの小さなサブポピュレーションも含まれています。微量アミン関連受容体（TAAR）を使用して匂いを検出する嗅覚感覚ニューロンは、標準的な嗅覚感覚ニューロンと同じセカンドメッセンジャーシグナル伝達カスケードを使用します。^{[ 50 ]}受容体グアニル酸シクラーゼGC-D（Gucy2d）^{[ 51 ]}や可溶性グアニル酸シクラーゼGucy1b2 ^{[ 52 ]}を発現するサブポピュレーションなど、他のサブポピュレーションは、匂い物質リガンドを伝達するためにcGMPカスケードを使用します。^{[ 53 ] [ 54 ] [ 55 ]}これらの異なるサブポピュレーション（嗅覚サブシステム）は、少数の化学刺激の検出に特化しているようです。

このシグナル伝達機構は、cAMPがプロテインキナーゼAの活性化を介するのではなく、イオンチャネルに直接結合することで作用するという点で、やや特異である。これは、セカンドメッセンジャーであるcGMPがイオンチャネルに直接結合することで作用する光受容体のシグナル伝達機構と類似しており、これらの受容体のうち一方が進化的に他方に適応した可能性を示唆している。また、側方抑制による刺激の即時処理にもかなりの類似点が見られる。

受容体ニューロンの平均活動は、いくつかの方法で測定できる。脊椎動物では、嗅覚刺激に対する反応は、電気嗅覚図法、または嗅球内の受容体ニューロン終末のカルシウムイメージングによって測定できる。昆虫では、電気触角図法、または嗅球内のカルシウムイメージングを行うことができる。

嗅覚感覚ニューロンは、嗅神経（第I脳神経）内で軸索を脳に投射します。これらの神経線維はミエリン鞘を欠いており、篩板の穿孔を通って脳の嗅球に進み、そこから嗅覚情報が嗅覚皮質や他の領域に投射されます。^{[ 56 ]}嗅覚受容体からの軸索は、糸球体と呼ばれる小さな（直径約50マイクロメートル）構造内の嗅球の外層で収束します。嗅球の内層にある僧帽細胞は、糸球体内の感覚ニューロンの軸索とシナプスを形成し、匂いに関する情報を嗅覚系の他の部分に送ります。そこで複数の信号が処理され、統合された嗅覚知覚が形成されます。 25,000本の軸索が約25個の僧帽細胞にシナプスを形成し、これらの僧帽細胞のそれぞれが複数の糸球体に投射するという、かなりの収束が起こります。僧帽細胞はまた、周囲の僧帽細胞を抑制する（側方抑制）周糸球体細胞と顆粒細胞にも投射します。顆粒細胞はまた、遠心性線維と前嗅核からの経路を介して僧帽細胞の抑制と興奮を媒介します。アセチルコリン、セロトニン、ノルアドレナリンなどの神経調節物質はすべて軸索を嗅球に送り、それぞれゲイン変調^{[ 57 ]}、パターン分離^{[ 58 ]}、記憶機能^{[ 59 ]}に関与していることが示唆されています。 

僧帽細胞は嗅球から外側嗅索へと伸び、大脳の5つの主要領域、すなわち前嗅核、嗅結節、扁桃体、梨状皮質、および内嗅皮質にシナプスを形成する。前嗅核は前交連を介して対側の嗅球に投射し、これを抑制している。梨状皮質は解剖学的に異なる構造と機能を持つ2つの主要な区分に分かれている。前梨状皮質（APC）は匂い分子の化学構造の決定に優れているようで、後梨状皮質（PPC）は匂いの分類や匂い間の類似性の評価に重要な役割を果たしている（例えば、ミント、ウッディ、シトラスなどの匂いは、化学物質の種類は大きく異なるにもかかわらず、濃度に依存しない方法でPPCを介して区別することができる）。^{[ 60 ]}梨状皮質は視床の内側背側核に投射し、そこから眼窩前頭皮質に投射する。眼窩前頭皮質は匂いの意識的な知覚を媒介する。3層構造の梨状皮質は、視床および視床下部の多数の核、海馬および扁桃体、眼窩前頭皮質に投射するが、その機能はほとんど不明である。嗅内皮質は扁桃体に投射し、匂いに対する情動反応や自律神経反応に関与している。また、海馬にも投射し、動機づけや記憶にも関与している。匂い情報は長期記憶に保存され、情動記憶と強い関連性を持つ。これはおそらく、嗅覚系が辺縁系や海馬といった、それぞれ情動記憶や場所記憶に関与することが古くから知られている脳領域と解剖学的に密接な関係にあるためと考えられる。

一つの受容体が様々な匂い物質に反応し、嗅球レベルでは多くの収束が見られるため、人間がこれほど多くの異なる匂いを区別できるのは不思議に思えるかもしれません。非常に複雑な処理が行われているように思われますが、嗅球（さらには梨状皮質や扁桃体）の多くのニューロンが様々な匂いに反応する一方で、眼窩前頭皮質のニューロンの半分は一つの匂いにしか反応せず、残りの半分もごく少数の匂いにしか反応しないことが示されています。微小電極を用いた研究により、個々の匂いが嗅球内で特定の空間的な興奮マップを形成することが示されています。脳は空間符号化によって特定の匂いを区別できる可能性がありますが、時間的な符号化も考慮に入れる必要があります。一つの匂いであっても、時間の経過とともに空間マップは変化するため、脳はこれらの詳細も処理できなければなりません。

両鼻孔からの入力は脳に別々に入力されるため、それぞれの鼻孔が異なる匂い物質を取り込むと、人は両眼視野の競合に似た嗅覚の知覚競合を経験する可能性がある。^{[ 61 ]}

昆虫では、匂いは触角と上顎触肢にある感覚毛によって感知され、まず触角葉（嗅球に相当）で処理され、次にキノコ体と側角で処理される。

嗅覚情報が脳内でどのように符号化されて適切な知覚が可能になるのかというプロセスは、現在も研究中で、完全には解明されていません。受容体が匂い物質を検出すると、ある意味で匂い物質を分解し、その後脳が匂い物質を再構成して識別と知覚を行います。^{[ 62 ]}匂い物質は、匂い物質の特定の官能基または特徴のみを認識する受容体に結合するため、匂い物質の化学的性質が重要になります。^{[ 63 ]}

匂い物質が結合すると、受容体が活性化され、嗅球の糸球体^{[ 63 ]}に信号が送られます。各糸球体は、類似の匂い物質の特徴を検出する複数の受容体から信号を受け取ります。匂い物質の化学的特徴が異なるため、複数の受容体タイプが活性化されるため、複数の糸球体も活性化されます。糸球体からの信号は、嗅球からの出力ニューロンである僧帽細胞の神経活動の振動パターン^{[ 64 ]}に変換されます。嗅球はこのパターンを嗅覚皮質に送ります。嗅覚皮質は連想記憶^{[ 65 ]}を持っていると考えられており、匂いの対象が認識されると、この嗅球のパターンに共鳴します^{[ 66 ]} 。皮質は遠心フィードバックを嗅球に送ります。^{[ 67 ]}このフィードバックは、認識された匂いの対象に対する嗅球の反応を抑制し、背景の匂いに対する嗅覚順応を引き起こし、新しく現れた前景の匂いの対象をより良く認識できるようにすることができる。^{[ 66 ] [ 68 ]}匂いの探索中、フィードバックは匂いの検出を強化するためにも使用できる。^{[ 69 ] [ 66 ]}分散コードにより、脳は多くの背景の匂いの混合物の中から特定の匂いを検出できる。^{[ 70 ]}

脳構造の配置が刺激の物理的特徴に対応する（地形的符号化と呼ばれる）という考え方が一般的であり、同様の類推が嗅覚においても、化学的特徴に対応する配置（化学構造的特徴と呼ばれる）や知覚的特徴といった概念でなされてきた。^{[ 71 ]}化学構造的特徴は依然として非常に議論の多い概念であるが、^{[ 72 ]}嗅覚ネットワークの空間次元に知覚情報が実装されているという証拠が存在する。^{[ 71 ]}

哺乳類や爬虫類の大半を含む多くの動物（ただし人間は除く） ^{[ 73 ]}は、揮発性刺激を検出する主嗅覚系と、液相刺激を検出する副嗅覚系の2つの明確に分離された嗅覚系を持っている。行動学的証拠は、これらの液相刺激がフェロモンとして機能することが多いことを示唆しているが、フェロモンは主嗅覚系でも検出できる。副嗅覚系では、鼻と口の間にある鋤骨にある鋤鼻器官によって刺激が検出される。ヘビはこれを使って獲物の匂いを嗅ぎ、舌を出してこの器官に触れさせる。一部の哺乳類は、フレーメンと呼ばれる顔の表情を作り、この器官に刺激を向ける。

副嗅覚系の感覚受容体は鋤鼻器に位置している。主嗅覚系と同様に、これらの感覚ニューロンの軸索は鋤鼻器から副嗅球へと投射する。マウスの場合、副嗅球は主嗅球の背側後部に位置する。主嗅覚系とは異なり、副嗅球から出る軸索は脳皮質ではなく、扁桃体と終末条床核の標的部位へと投射し、そこから視床下部へと投射する。視床下部では、これらの軸索が攻撃性や交尾行動に影響を与える可能性がある。