APL Bioengineering | 难闻气味竟让女性大脑更活跃，fNIRS 技术揭开嗅觉性别差异之谜

你是否有过这样的体验：闻到清新的橙香会心情愉悦，撞见刺鼻的异味却会瞬间皱眉？嗅觉作为与情绪关联最紧密的感官，其背后的大脑活动一直充满奥秘。发表在《APL Bioengineering》的这项研究 “Unpleasant odors compared to pleasant ones cause higher cortical activations detectable by fNIRS and observable mostly in females” ，通过 fNIRS 技术首次证实：与宜人气味相比，难闻气味会引发更强的大脑皮层激活，且这种差异在女性身上尤为显著。这项研究为我们理解嗅觉的性别特异性加工机制，提供了全新的科学视角。

一②二

研究背景

嗅觉的独特之处在于，它与情绪愉悦度（ hedonic valence ）有着天然的强关联 —— 我们会本能地将气味划分为愉悦、厌恶或中性，而这种分类直接影响情绪、压力水平甚至记忆形成。长期以来，科学家主要通过功能性磁共振成像（fMRI）研究嗅觉相关的大脑深层区域活动，但 fMRI 设备昂贵、操作复杂，难以普及；EEG 虽成本较低，却受限于嗅觉刺激的延迟效应，难以精准捕捉相关脑电信号。

fNIRS 技术的出现为解决这一困境提供了可能。该技术通过检测大脑皮层 HbO 浓度变化来反映脑活动，兼具低成本、易操作的优势，且能聚焦于嗅觉加工后期的皮层区域（如眶额皮层）。不过，此前关于嗅觉的 fNIRS 研究数量有限、结论矛盾，尤其缺乏对气味愉悦度和性别差异的系统性探索。为此，研究团队开展了这项针对性研究。

二

实验方法

1. 嗅觉刺激系统

嗅觉刺激系统由 3 个独立的网状雾化器、3 个继电器和 1 个微控制器组成。通过微控制器上的自定义脚本与 MATLAB 自定义脚本协同控制，可按预设序列独立启动或关闭每个雾化器。为实现雾化器激活与 fNIRS 信号采集的同步，MATLAB 脚本通过 LSL（版本 1.13）向采集软件 NIRStar（NIRx Medical technology, Germany，南京尖创科技为 NIRx 产品中国区代理）发送触发信号，精准记录气味释放的起始时刻。

2. 实验对象

32 名成年志愿者参与初始测试，最终 22 人的有效数据被纳入分析。所有参与者无神经系统疾病和嗅觉障碍，且未收集个人隐私信息。

3. 实验流程

受试者准备：测试前，受试者需用提供的纸巾擤鼻涕，舒适坐在椅子上保持放松状态，全程闭眼以减少运动伪影。头部佩戴 fNIRS 专用帽子（NIRScap），配有16 个光级。

气味施用：雾化器放置于受试者鼻孔前方 10cm 处，受试者需自然呼吸、专注于气味感知，避免主动嗅闻。三种气味（含硫温泉水、甜橙精油、矿泉水，分别对应难闻、宜人、中性）以随机顺序呈现，每种气味包含 4 轮刺激，每轮刺激持续 25s，轮间休息 40s；每种气味测试结束后，受试者需休息 2 分钟并完成气味评估问卷，问卷填写后通过嗅闻烤咖啡豆气味清洗嗅觉受体，避免嗅觉适应。整个测试会话时长约 25 分钟。

信号采集：采用 fNIRS 台式设备 NIRscout（ NIRx Medical technology，Germany，南京尖创科技为 NIRx 产品中国区代理）采集信号，使用 760nm 和 850nm 两种波长，采样率 7.81Hz。测试前需对所有通道进行信号校准，通过 NIRStar 软件采集短时段数据并计算变异系数（CV）评估信号质量：CV<2.5% 为 “优秀”，2.5%≤CV≤7.5% 为 “可接受”，CV>7.5% 为 “临界”，信号丢失则标记为白色。仅保留 “优秀” 或 “可接受” 的通道，若通道质量不达标需调整光极位置直至满足要求。

主观评估：每轮气味测试后，参与者通过 5 点李克特量表（-2 = 非常难闻，+2 = 非常宜人）对气味愉悦度进行评分。

图 1. 实验装置与嗅觉刺激方案：(a) 嗅觉刺激系统示意图，由三个雾化器、三个继电器和一个微控制器组成；(b) 装置示意图；(c) 光极排布的 3D 解剖图；(d) 基于 10-5 系统的光极排布 2D 解剖图，每个光极内的数字表示其下方对应的皮层布罗德曼区域；(e) 刺激方案，展示了气味释放阶段和休息阶段的时间安排。

4. 低质量通道排除

采用 MATLAB 软件结合 Homer2 工具包对采集的 fNIRS 信号进行质量评估与预处理。通过 Homer2 函数 “enPruneChannels” 移除信号值过高或过低的数据，设定信号信噪比阈值为 6，信号范围为 0.09-1.4V，同时结合视觉检查评估信号质量。若受试者在 10 通道感兴趣区域（ROI）中超过 8 个通道（共 20 个）或 7 通道 ROI 中超过 5 个通道（共 14 个）的信号质量不佳，则排除该受试者数据。

5. fNIRS 信号预处理

NIRS 信号预处理遵循最佳实践流程，先通过 MATLAB 函数将光强数据转换为光学密度，再采用时间导数分布修复算法校正运动伪影并移除残留伪影，随后应用三阶巴特沃斯带通滤波器（0.005-0.2Hz）减少慢漂移和高频噪声，接着基于修正的比尔 - 朗伯定律将光学密度转换为血红蛋白浓度变化，移除低质量通道后，对每个条件和通道的试次信号进行块平均，以刺激前 2 秒为基线完成校正，最终得到所有受试者的总平均信号。

三

实验结果

1. 气味主观愉悦度评分

受试者对三种气味的主观愉悦度分类具有高度一致性：73% 的参与者认为硫温泉水难闻，86% 认为甜橙精油宜人，77% 认为矿泉水中性。ANOVA 及事后成对比较显示，三种气味的愉悦度评分存在统计学显著差异：甜橙精油与硫温泉水的平均差值为 2，甜橙精油与矿泉水的平均差值为 0.96，硫温泉水与矿泉水的平均差值为 1.05，均呈现大效应量。

图 2. 受试者对每种气味的愉悦度评分箱线图。

2. 血流动力学反应整体特征

总平均 HbO 和 HbR 信号显示，不同愉悦度气味引发的皮层反应存在差异，且 HbR 信号未表现出统计学显著效应，后续分析聚焦于 HbO 信号（其对脑活动变化的敏感性更高，与 fMRI BOLD 信号相关性更强）。

3. ROI-based 统计分析结果

① ANOVA 分析：两个 ROI 的分析结果一致，均显示显著的 “条件” 主效应，未发现 “半球” 主效应；同时，“性别 × 条件” 的交互效应显著。

② 事后检验结果：所有受试者（不分性别）两个 ROI 中，难闻气味引发的 HbO 激活均显著高于宜人气味和中性气味，而宜人气味与中性气味的激活无显著差异；性别差异分析显示，两个 ROI 中，女性对难闻气味的 HbO 激活显著高于男性；进一步分析显示，女性中难闻气味的激活显著高于宜人气味和中性气味，但男性中三种气味的激活无统计学显著差异。

图 3. 三种气味各自 25 s 独立嗅觉刺激下的 HbO 和 HbR 总平均信号。总平均信号按每个通道及以下受试者群体分别计算：(a) 全部 22 名受试者；(b) 仅 11 名女性亚组；(c) 仅 11 名男性亚组。每个信号上方的灰色阴影区域表示嗅觉刺激的起始至终止区间，通道排布与图 1 (c) 所示的光极排布一致；每个半球中，十通道和七通道 ROI 通过用不同的连续线条框选其通道来标识。

图 4. 三种条件下的激活水平箱线图 [子图 (a) 和 (b)] 及条件与性别的所有可能交互作用箱线图 [子图 (c) 和 (d)]。

四

讨论

本研究核心发现中，难闻气味引发的皮层激活显著高于宜人气味，这与人类大脑对负面刺激的优先加工特性相符，这类气味常关联潜在风险，能激发更强情绪反应和更广泛神经网络激活，且该结果与过往多类研究结论相互印证；而中性与宜人气味的激活无显著差异，推测源于两者均能带来正向感官体验，核心感知的一致性使得皮层反应趋于一致。同时，研究未发现嗅觉加工的大脑半球偏侧化效应，支持了嗅觉信息在大脑中双侧表征的观点，与部分 fNIRS 和 fMRI 研究结论一致，而与主张 “半球偏好” 的研究存在差异，可能源于实验变量或技术分辨率的不同，需进一步探索。

最关键的性别差异发现，首次通过 fNIRS 提供了客观脑科学证据，印证了女性嗅觉敏感度更高的普遍观察，这一差异大概率源于女性嗅球神经元和神经胶质细胞更丰富、眶额皮层与初级嗅觉区域连接更紧密的生理结构优势，使其对气味情绪价值更敏感，尤其对难闻气味的皮层反应更强烈。此外，本研究验证了 fNIRS 的技术优势，与 EEG 形成互补，为嗅觉研究提供了低成本、灵活的选择，同时也为后续探索留下空间：未来可纳入更多维度的气味变量，厘清嗅觉加工的影响因素，且 fNIRS 在相关疾病早期筛查中极具潜力，而气味唤醒度对皮层激活的潜在影响也值得进一步探究。

参考文献：Monciatti, A. M., Lapini, M., Gemignani, J., Frediani, G., & Carpi, F. (2025). Unpleasant odors compared to pleasant ones cause higher cortical activations detectable by fNIRS and observable mostly in females. APL bioengineering, 9(1).

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