文 | 追问nextquestion 我们可以用三棱镜分辨光线,用音调分辨声音,但气味的世界过于复杂私密,肯定很难用技术或特征来进行区分吧?出人意料,并非如此。 玫瑰花香和樟脑气味之间相距几何?花香与烟味是否相互垂直?“气味空间”的几何形状是否符合欧几里得原理,是否遵循数学老师在无数高中黑板上写下的线条、形状和角度规则?对许多人来说,这些问题是毫无意义的无稽之谈。毕竟,几何学是一种看得见摸得着的逻辑科学;是从明确的公理中得出无可辩驳的结论。而气味却是那样模糊不清、虚无缥缈。公众普遍认为,嗅觉是一种迟钝而无形的感官,这种观点最早可追溯到柏拉图。即使作为一名嗅觉研究者,我也不得不承认,有时也会觉得自己是在研究感官系统中的冥王星——一个在诡异轨道上运行的朦胧又奇怪的冰球。 然而近年来,情况发生了巨大的变化。“气味的几何学”已成为一门新兴学科,而要理解这门学科则需要神经科学家、精通数学的理论家和人工智能专家的共同努力。虽然我们不善于通过直觉厘清大脑是如何执行辨色和识味等功能的,但机器提供了一条外在分析大脑内部功能的潜在途径,并且具备一定的严谨性。我们可以训练机器模仿人类在感知任务上的表现,并可以获取机器在此过程中使用的内部表征——即抽象空间和坐标系,其中承载着难以言喻的思想。 最近,《科学》期刊发表了一份前所未有的全面而准确的“气味地图”[1],宣告了这新的嗅觉范式的诞生。就像美国地图会告诉你布法罗离底特律比离波士顿近一些一样,气味地图也能告诉你百合花的气味更接近于葡萄而不是卷心菜。此类信息看似显而易见,但真正的神奇之处在于,所有化学物质在气味地图上的精确位置都可以计算出来。举例来说,根据对某种化学物质的客观了解,我们可以计算出它的气味与百合之间的距离比与葡萄的近13%。这就好比有这样一个公式,我们可以输入一个未知城市的人口数量和土壤成分等信息,然后它就能正确地计算出费城的精确经纬度。 ▷Lee, Brian K., et al. “A principal odor map unifies diverse tasks in olfactory perception.” Science 381.6661 (2023): 999-1006. 这样的地图不仅仅是一个费尽心思、精确记录了各种相对位置和感知相似性的目录。它的功能要强大得多:它是一套用于计算气味去向的推导规则。掌握了这些规则,你就不仅能将它们应用于一小撮化学物质,还能将它们应用于整个有气味的化学物质世界。你可以知道哪里是人口最稠密的地区,哪里是气味世界的“州界”。这项科学突破令世界各地的香水师和美食家惊叹不已,也令任何对化学物质究竟会散发出什么样气味感兴趣的人为之振奋,因为此前要预测某种物质的气味是一项十分艰难且难以把控的任务。 不仅如此,它还衍生了一些耐人寻味的哲学问题:我们的鼻子究竟认为化学物质闻起来是什么样的,以及测量它们的相似性意味着什么。换句话说,当我们的鼻子判断出百合和葡萄的气味相似时,对世界形成了什么样的“映射”?我们的鼻子是在捕捉某种单一的分子特性,比如化学物质的重量或大小吗?它们是在计算各种分子特性的共同特征吗?又或是在做一些与上述完全不同的事情,比如在常见的新陈代谢反应空间中定位分子? 有趣的是,最后一种情况似乎更能说明问题。我们的大脑用来衡量、组织和比较气味的感知标尺,最终可能与化学家从样本中发现的东西关系不大,而与我们与这个世界的深层关系连接地更紧密。我们的鼻子测量的可能并不是世界固定不变的属性,而是其不断演化的世俗过程。 感官“几何化” 为了破解这一最原始、在科学上最难解的“远古感官”,我们不得不等待机器智能的出现,这种想法颇具诗意。这与其他感官模式形成了鲜明对比。早在17世纪,人类就已经开始通过棱镜和音叉等奇妙手段揭开了视觉与听觉的神秘面纱。 将感官“几何化”的基本研究模板是艾萨克·牛顿在17年代末开发的。牛顿在剑桥大学进行了他标志性的光学实验,从而发现了光的颜色与折射率(即光被棱镜弯曲的程度)之间的关系。仅仅是这项客观事实本身就足以跻身史上最重要的科学发现之列,但牛顿进一步将他的观察结果与几何模型相结合,将可见光谱中的七种原色沿圆周排列(见下图),绘制出了第一张“色度图”——也就是我们用来研究颜色相加混合的色轮的前身。 对牛顿来说,这个圆圈并不只是徒有其表,而是对一种编码色彩属性的特殊方式的承诺。牛顿号召研究者们拿出量角器和直尺,计算色彩之间的关系,并将这些色彩混合起来。例如,完全饱和的红、黄、绿三原色混合色的组分可以用三角形的三个顶点来表示,每个顶点都固定在圆周上适当标记的点上。这个三角形的质心是圆内部的一个单一点,它决定了混合色的色调和饱和度。如果将七种原色全部按相同饱和度进行混合,则七点图形的质心将精确落于牛顿指定为白色的圆心处。 ▷图1:艾萨克·牛顿的绘制的圆形色度图。图片来自维基百科。 当然,牛顿在他的《光学》(Opticks,1704 年)一书中描述的色彩视觉并非尽善尽美,甚至与他同时代的人也注意到了他的模型中存在的缺陷和不足。尽管如此,他的成就体现了利用传统范式视觉化呈现感官映射的雄心壮志。他寻求建立自然界可测量的内在属性(如光的折射率,我们现在将其归结为波长)与大脑的现象学特质(如颜色、音高和气味)之间的数学对应关系。这种追求有点像毕达哥拉斯的“世界即数学”的神秘主义思想。 人类以同样的方式破解了音高知觉的基本逻辑。我们利用音叉和球形“共鸣器”等简单工具来产生单一频率的纯音,并从中推导出辅音音高组合的规则。音高知觉整体而言非常复杂,但概括地说,我们的整个听觉系统,从内耳微小卷曲的耳蜗到感觉皮层的听觉部分,都建立在像钢琴琴键一样组织低、中、高音的基本原理之上。敲击钢琴上相邻的音符也会对应地在大脑中激活相邻的神经元。 追寻原气味 嗅觉永远不可能用音叉这样的基本工具来解析,该领域也从未出现像牛顿这样的人物,但并不是因为没有人尝试追随牛顿的步伐,成为一名嗅觉领域的几何学家。相反,有许多人都想到可能存在少量的“原气味(odour primaries)”,它们就好像棱镜折射出的七原色一样,构建了气味世界。这种想法一直持续到了20世纪。 著名的植物学家和分类学家卡尔·林奈(Carl Linnaeus)于1756年提出了一个早期的、颇具影响力的气味分类方案,他将气味分为了七种类型:芳香味(aromatic)、芬芳味(fragrant)、麝香味(ambrosial/musky)、葱蒜味(alliaceous/garlic)、山羊似的腥臊味(hircine/goaty)、令人厌恶的气味(repulsive)和令人作呕的气味(nauseous)。...
0
0
1