Abstract Recent anecdotal and scientific reports have provided evidence of a link between COVID-19 and chemosensory impairments, such as anosmia. However, these reports have downplayed or failed to distinguish potential effects on taste, ignored chemesthesis, and generally lacked quantitative measurements. Here, we report the development, implementation, and initial results of a multilingual, international questionnaire to assess self-reported quantity and quality of perception in 3 distinct chemosensory modalities (smell, taste, and chemesthesis) before and during COVID-19. In the first 11 days after questionnaire launch, 4039 participants (2913 women, 1118 men, and 8 others, aged 19–79) reported a COVID-19 diagnosis either via laboratory tests or clinical assessment. Importantly, smell, taste, and chemesthetic function were each significantly reduced compared to their status before the disease. Difference scores (maximum possible change ±100) revealed a mean reduction of smell (−79.7 ± 28.7, mean ± standard deviation), taste (−69.0 ± 32.6), and chemesthetic (−37.3 ± 36.2) function during COVID-19. Qualitative changes in olfactory ability (parosmia and phantosmia) were relatively rare and correlated with smell loss. Importantly, perceived nasal obstruction did not account for smell loss. Furthermore, chemosensory impairments were similar between participants in the laboratory test and clinical assessment groups. These results show that COVID-19-associated chemosensory impairment is not limited to smell but also affects taste and chemesthesis. The multimodal impact of COVID-19 and the lack of perceived nasal obstruction suggest that severe acute respiratory syndrome coronavirus strain 2 (SARS-CoV-2) infection may disrupt sensory-neural mechanisms.

Determining the valence of an odor to guide rapid approach-avoidance behavior is thought to be one of the core tasks of the olfactory system, and yet little is known of the initial neural mechanisms supporting this process or of its subsequent behavioral manifestation in humans. In two experiments, we measured the functional processing of odor valence perception in the human olfactory bulb (OB)-the first processing stage of the olfactory system-using a noninvasive method as well as assessed the subsequent motor avoidance response. We demonstrate that odor valence perception is associated with both gamma and beta activity in the human OB. Moreover, we show that negative, but not positive, odors initiate an early beta response in the OB, a response that is linked to a preparatory neural motor response in the motor cortex. Finally, in a separate experiment, we show that negative odors trigger a full-body motor avoidance response, manifested as a rapid leaning away from the odor, within the time period predicted by the OB results. Taken together, these results demonstrate that the human OB processes odor valence in a sequential manner in both the gamma and beta frequency bands and suggest that rapid processing of unpleasant odors in the OB might underlie rapid approach-avoidance decisions.

ABSTRACT Determining the valence of an odor to provide information to guide rapid approach-avoidance behavior is thought to be one of the core tasks of the olfactory system, yet little is known of its initial neural mechanisms or subsequent behavioral manifestation in humans. In two experiments, we measured the functional processing of odor valence perception in the human olfactory bulb (OB)—the first processing stage of the olfactory system—using a non-invasive method as well as assessed subsequent motor avoidance response. We demonstrate that odor valence perception is associated with both gamma and beta activity in the human OB. Moreover, we show that negative, but not positive, odors initiate an early beta response in the OB, a response that is linked to a preparatory neural motor response in motor cortex. Finally, in a separate experiment we show that negative odors trigger a full-body motor avoidance response, manifested as a rapid leaning away from the odor, in the time period predicted by the OB results. Taken together, these results demonstrate that the human OB processes odor valence in a sequential manner in both the gamma and beta frequency bands and suggest that early processing of unpleasant odors in the OB might underlie rapid approach-avoidance decisions.

Abstract Human sensory experience varies across the globe. Nonetheless, all humans share sensory systems with a common anatomical blueprint. In olfaction, it is unknown to what degree sensory perception, in particular the perception of odor pleasantness, is dictated by universal biological principles versus sculpted by culture. To address this issue, we asked 235 individuals from 9 diverse non-western cultures to rank the hedonic value of monomolecular odorants. We observed substantial global consistency, with molecular identity explaining 41% of the variance in individual pleasantness rankings, while culture explained only 6%. These rankings were predicted by the physicochemical properties of out-of-sample molecules and out-of-sample pleasantness ratings given by a separate group of industrialized western urbanites, indicating human olfactory perception is strongly constrained by universal principles.

ABSTRACT Neuronal oscillations route external and internal information across brain regions. In the olfactory system, the two central nodes—the olfactory bulb (OB) and the piriform cortex (PC)—communicate with each other via neural oscillations to shape the olfactory percept. Communication between these nodes have been well characterized in non-human animals but less is known about their role in the human olfactory system. Using a recently developed and validated EEG-based method to extract signals from the OB and PC sources, we show in healthy human participants that there is a bottom-up information flow from the OB to the PC in the beta and gamma frequency bands, while top-down information from the PC to the OB is facilitated by delta and theta oscillations. Importantly, we demonstrate that there was enough information to decipher odor identity above chance from the low gamma in the OB-PC oscillatory circuit as early as 100ms after odor onset. These data further our understanding of the critical role of bidirectional information flow in human sensory systems to produce perception. However, future studies are needed to determine what specific odor information is extracted and communicated in the information exchange.

ABSTRACT Removing function from a developed and functional sensory system is known to alter both cerebral morphology and functional connections. To date, a majority of studies assessing sensory-dependent plasticity have focused on effects from either early onset or long-term sensory loss and little is known how the recent sensory loss affects the human brain. With the aim of determining how recent sensory loss affects cerebral morphology and functional connectivity, we assessed differences between individuals with acquired olfactory loss (duration 7-36 months, n=20) and matched healthy controls (n=23) in their grey matter volume, using multivariate pattern analyses, and functional connectivity, using dynamic connectivity analyses, within and from the olfactory cortex. Our results demonstrate that acquired olfactory loss alters grey matter volume in, among others, posterior piriform cortex, a core olfactory processing area, as well as the inferior frontal gyrus and angular gyrus. In addition, compared to controls, individuals with acquired anosmia displayed significantly stronger dynamic functional connectivity from the posterior piriform cortex to, among others, the angular gyrus, a known multisensory integration area. No significantly stronger connectivity in healthy control participants were demonstrated. When assessing differences in dynamic functional connectivity from the angular gyrus, individuals with acquired anosmia had stronger connectivity from the angular gyrus to areas primary responsible for basic visual and taste processing. These results demonstrate that recently acquired sensory loss alters both cerebral morphology within core olfactory areas and increase dynamic functional connectivity from olfactory cortex to cerebral areas processing multisensory integration.

Current methods can, in a non-invasive manner, assess neural activity in all areas of the human brain but the olfactory bulb (OB). The OB is intimately involved in a long list of olfactory tasks, has been suggested to fulfill a role comparable to that of V1 and the thalamus in the visual system, and have been closely linked to a wide range of neuropathologies. Here we present a method for non-invasive recording of signals from the human OB with millisecond precision. We demonstrate that signals obtained via recordings from EEG electrodes at the nasal bridge represent responses from the olfactory bulb - recordings we term Electrobulbogram (EBG). The EBG is localized to the OB, is reliable, and follows response patterns demonstrated in non-human animal models. The EBG will aid future olfactory-related translational work but can also easily be implemented as an everyday clinical tool to detect pathology-related changes in human central olfactory processing in neurodegenerative diseases.

ABSTRACT Congenital blindness is associated with atypical morphology, and functional connectivity within and from, visual cortical regions; changes that are hypothesized to originate from a life-long absence of visual input and could be regarded as a general (re)organization principle of sensory cortices. Challenging this is the fact that individuals with congenital anosmia (life-long olfactory sensory loss) display little to no morphological changes in primary olfactory cortex. To determine whether olfactory input from birth is essential to establish and maintain normal functional connectivity in olfactory processing regions, akin to the visual system, we assessed differences in functional connectivity within olfactory cortex between individuals with congenital anosmia (n=33) and matched controls (n=34). Specifically, we assessed differences in connectivity between core olfactory processing regions as well as differences in regional homogeneity and homotopic connectivity within primary olfactory cortex. In contrast to congenital blindness, none of the analyses indicated atypical connectivity in individuals with congenital anosmia. In fact, post-hoc Bayesian analysis provided support for an absence of group differences. These results suggest that a lifelong absence of olfactory experience has limited impact on the functional connectivity in olfactory cortex, a finding that indicates a clear difference between sensory modalities in how sensory cortical regions develop.

ABSTRACT Prolonged sensory deprivation has repeatedly been linked to cortical reorganization. We recently demonstrated that individuals with congenital anosmia (CA, complete olfactory deprivation since birth) have seemingly normal morphology in piriform (olfactory) cortex despite profound morphological deviations in the orbitofrontal cortex (OFC), a finding contradictory to both the known effects of blindness on visual cortex and to the sparse literature on brain morphology in anosmia. To establish whether these unexpected findings reflect the true brain morphology in CA, we first performed a direct replication of our previous study. Individuals with CA (n=30) were compared to age and sex matched controls (n=30) using voxel- and surface-based morphometry. The replication results were near identical to the original study: bilateral clusters of group differences in the OFC, including CA atrophy around the olfactory sulci and volume increases in the medial orbital gyri. Importantly, no group differences in piriform cortex were detected. Subsequently, to assess any subtle patterns of group differences not detectable by our mass-univariate analysis, we explored the data from a multivariate perspective. Combining the newly collected data with data from the replicated study (CA=49, Control=49) we performed support vector machine classification based on gray matter volume. In line with the mass-univariate analyses, the multivariate analysis could accurately differentiate between the groups in bilateral OFC (75-96% accuracy), whereas the classification accuracy in piriform cortex was at chance level. Our results suggest that despite lifelong olfactory deprivation, piriform (olfactory) cortex is morphologically unaltered and the morphological deviations in CA are confined to the OFC.

Multiple neural mechanisms underlying gating to and from working memory (WM) have been proposed, with divergent results obtained in human and animal studies. Previous results from non-human primate studies suggest information encoding and retrieval is regulated by high-power bursts in the beta frequency range, whereas human studies suggest that alpha power in sensory regions filters out unwanted stimuli from entering WM. Discrepancies between studies, whether due to differences in analysis, species, or cortical regions, remain unexplained. We addressed this by performing similar single trial burst analysis we earlier deployed on non-human primates on human whole-brain electrophysiological activity. Participants performed a sequential working memory task that allowed us to track the distinct electrophysiological activity patterns associated with neural processing of targets and distractors. Intriguingly, our results reconcile earlier findings by demonstrating that both alpha and beta bursts are involved in the filtering and control of WM items, but with region and task-specific differences between the two rhythms. Occipital beta burst patterns regulate the transition from sensory processing to WM retention whereas prefrontal and parietal beta bursts track sequence order and proactively suppress retained information prior to upcoming target encoding. Occipital alpha bursts instead suppress unwanted sensory stimuli during their presentation. These results suggest that human working memory is regulated by multiple neural mechanisms that operate in different cortical regions and serve distinct computational roles.