在體生物電子鼻氣味檢測(cè)及嗅覺(jué)感知機(jī)理研究.pdf

1、生物嗅覺(jué)系統(tǒng)具有敏銳的氣味感知能力，被認(rèn)為是最高效的感測(cè)系統(tǒng)之一。隨著社會(huì)文明的推進(jìn)，氣體檢測(cè)技術(shù)用于提高人類生存質(zhì)量，保障人類健康，已被廣泛應(yīng)用于食品安全、緝毒防爆、疾病診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。基于仿生電子鼻和離體生物電子鼻的研究經(jīng)驗(yàn)，本文提出一種新型的在體生物電子鼻系統(tǒng):以哺乳動(dòng)物的嗅上皮作為初級(jí)氣味感受器，氣味信息在嗅覺(jué)系統(tǒng)中修飾處理后，利用多通道微電極陣列提取嗅覺(jué)系統(tǒng)中多個(gè)神經(jīng)元信號(hào)，通過(guò)多維度模式識(shí)別算法，對(duì)神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行解碼，提

2、取出氣味相關(guān)信息，從而實(shí)現(xiàn)氣味檢測(cè)。
　　本文首先從使用壽命、重復(fù)性、特異性、靈敏度等方面對(duì)其氣味檢測(cè)性能進(jìn)行分析;同時(shí)，通過(guò)提取分析嗅皮層響應(yīng)信號(hào)和記錄特定熒光標(biāo)記的嗅小球區(qū)域響應(yīng)信號(hào)兩種方法，探索了進(jìn)一步提高生物電子鼻檢測(cè)特異性的方法;同時(shí)，本文討論了生物電子鼻系統(tǒng)在食品新鮮度檢測(cè)、爆炸物TNT檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
　　此外，從基礎(chǔ)研究角度，本文研究了清醒狀態(tài)和睡眠狀態(tài)下動(dòng)物的嗅覺(jué)感知差異形成機(jī)理，即嗅覺(jué)門控機(jī)理。結(jié)合光

3、遺傳學(xué)、動(dòng)物行為學(xué)、在體電生理記錄等方法，分析比較了不同狀態(tài)下嗅覺(jué)系統(tǒng)的LFP和峰電位響應(yīng)信號(hào)，研究結(jié)果顯示嗅覺(jué)門控現(xiàn)象的產(chǎn)生依賴于腦區(qū)間神經(jīng)元活動(dòng)的同步性，即局部嗅覺(jué)區(qū)域和跨腦區(qū)間神經(jīng)元的同步發(fā)放引起嗅覺(jué)感知，而非神經(jīng)元的絕對(duì)活動(dòng)強(qiáng)度。本文主要的創(chuàng)新性研究工作為:
　　1.深入研究了在體生物電子鼻對(duì)痕量氣味的檢測(cè)性能和識(shí)別能力
　　使用多通道植入式微電極提取清醒大鼠嗅球并分析神經(jīng)元對(duì)氣味刺激的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了在體生物電子鼻對(duì)單

4、分子氣味和混合氣味的高靈敏度檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明由于保證了神經(jīng)元的在體環(huán)境和嗅覺(jué)系統(tǒng)完整性，相比于離體生物電子鼻，該電子鼻使用壽命可達(dá)3周;采用PCA方法對(duì)大鼠僧帽/叢狀細(xì)胞群的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行分類，不僅可以有效實(shí)現(xiàn)不同官能團(tuán)單分子氣體的區(qū)分，也可以區(qū)分相似氣味的單分子和混合（自然）氣體。研究進(jìn)一步分析了該電子鼻對(duì)不同新鮮度的食品揮發(fā)物氣體的響應(yīng)方式，結(jié)果表明不同存儲(chǔ)時(shí)間的食品氣味誘發(fā)不同的峰電位響應(yīng)活動(dòng);此外，該電子鼻對(duì)食品中常見(jiàn)氣味香芹酮

5、的最低檢測(cè)濃度可達(dá)到10-10M。研究驗(yàn)證了該電子鼻檢測(cè)單分子和混合氣味的可行性，也初步證明了其在痕量氣味、食品檢測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
　　2.提出了基于大鼠側(cè)嗅束響應(yīng)記錄的生物電子鼻，提高了氣味檢測(cè)的性能
　　嗅球中的僧帽/叢狀細(xì)胞對(duì)氣味信息整合編碼后，其軸突整合成側(cè)嗅束將信息傳遞到嗅覺(jué)皮層，因此，相比于局部嗅球的僧帽/叢狀細(xì)胞，側(cè)嗅束中攜帶了更完整的氣味信息。為了進(jìn)一步提高在體生物電子鼻氣味檢測(cè)特異性，我們將多通道電極植

6、入?yún)^(qū)域從嗅球轉(zhuǎn)向側(cè)嗅束。由于刺激誘發(fā)的僧帽/叢狀細(xì)胞活動(dòng)經(jīng)過(guò)顆粒細(xì)胞等中間神經(jīng)元的側(cè)抑制作用修飾后，其輸出活動(dòng)攜帶了完整的氣味信息，研究結(jié)果表明從側(cè)嗅束記錄到的神經(jīng)元峰電位自發(fā)頻率低，而氣味誘發(fā)的發(fā)放頻率高，使得氣味響應(yīng)信噪比增加，提高氣味響應(yīng)靈敏度。因此，通過(guò)檢測(cè)大鼠側(cè)嗅束響應(yīng)信號(hào)，提高了在體生物電子鼻的氣味檢測(cè)特異性。
　　3.提出了基于轉(zhuǎn)基因小鼠的生物電子鼻，實(shí)現(xiàn)了爆炸物TNT的定量檢測(cè)
　　使用在特定嗅感覺(jué)神經(jīng)元表達(dá)

7、綠色熒光蛋白的M72-IRES-tauGFP轉(zhuǎn)基因小鼠，通過(guò)光學(xué)成像方法對(duì)M72嗅小球精確定位，將MEA探針植入到M72嗅小球區(qū)域，在不同動(dòng)物之間實(shí)現(xiàn)特定嗅小球的響應(yīng)記錄，結(jié)果顯示M72嗅小球?qū)斜江h(huán)的物質(zhì)具有高敏感度，檢測(cè)特異性高，進(jìn)一步使用TNT刺激，發(fā)現(xiàn)其對(duì)TNT的響應(yīng)也具有高敏感度，同時(shí)，其對(duì)TNT的檢測(cè)下限小于10-6 M。因此，該電子鼻不僅能實(shí)現(xiàn)苯環(huán)物質(zhì)的特異性檢測(cè)，在爆炸物TNT檢測(cè)領(lǐng)域也具有應(yīng)用價(jià)值。
　　4.探

8、索研究了哺乳動(dòng)物在清醒和睡眠狀態(tài)下的氣味感知能力差異的機(jī)理
　　以M72-ChR2-YFP和OMP-ChR2-GFP轉(zhuǎn)基因小鼠為研究模型，使用藍(lán)光激活嗅感覺(jué)神經(jīng)元，同時(shí)記錄多個(gè)嗅覺(jué)區(qū)域在清醒和睡眠狀態(tài)下的LFP和峰電位響應(yīng)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在睡眠狀態(tài)下，嗅覺(jué)系統(tǒng)的LFP響應(yīng)幅值和峰電位響應(yīng)頻率均不小于清醒狀態(tài)，證明了嗅覺(jué)感知形成不依賴于神經(jīng)群活動(dòng)強(qiáng)度和單個(gè)神經(jīng)元發(fā)放頻率;進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在清醒狀態(tài)下，刺激嗅感覺(jué)神經(jīng)元使得不同嗅覺(jué)區(qū)