在體生物電子鼻氣味檢測及嗅覺感知機理研究.pdf

1、生物嗅覺系統(tǒng)具有敏銳的氣味感知能力，被認為是最高效的感測系統(tǒng)之一。隨著社會文明的推進，氣體檢測技術用于提高人類生存質量，保障人類健康，已被廣泛應用于食品安全、緝毒防爆、疾病診斷、環(huán)境監(jiān)測等領域。基于仿生電子鼻和離體生物電子鼻的研究經(jīng)驗，本文提出一種新型的在體生物電子鼻系統(tǒng):以哺乳動物的嗅上皮作為初級氣味感受器，氣味信息在嗅覺系統(tǒng)中修飾處理后，利用多通道微電極陣列提取嗅覺系統(tǒng)中多個神經(jīng)元信號，通過多維度模式識別算法，對神經(jīng)信號進行解碼，提

2、取出氣味相關信息，從而實現(xiàn)氣味檢測。
　　本文首先從使用壽命、重復性、特異性、靈敏度等方面對其氣味檢測性能進行分析;同時，通過提取分析嗅皮層響應信號和記錄特定熒光標記的嗅小球區(qū)域響應信號兩種方法，探索了進一步提高生物電子鼻檢測特異性的方法;同時，本文討論了生物電子鼻系統(tǒng)在食品新鮮度檢測、爆炸物TNT檢測領域的應用潛力。
　　此外，從基礎研究角度，本文研究了清醒狀態(tài)和睡眠狀態(tài)下動物的嗅覺感知差異形成機理，即嗅覺門控機理。結合光

3、遺傳學、動物行為學、在體電生理記錄等方法，分析比較了不同狀態(tài)下嗅覺系統(tǒng)的LFP和峰電位響應信號，研究結果顯示嗅覺門控現(xiàn)象的產(chǎn)生依賴于腦區(qū)間神經(jīng)元活動的同步性，即局部嗅覺區(qū)域和跨腦區(qū)間神經(jīng)元的同步發(fā)放引起嗅覺感知，而非神經(jīng)元的絕對活動強度。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痕量氣味的檢測性能和識別能力
　　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)元對氣味刺激的響應，實現(xiàn)了在體生物電子鼻對單

4、分子氣味和混合氣味的高靈敏度檢測。實驗結果表明由于保證了神經(jīng)元的在體環(huán)境和嗅覺系統(tǒng)完整性，相比于離體生物電子鼻，該電子鼻使用壽命可達3周;采用PCA方法對大鼠僧帽/叢狀細胞群的響應信號進行分類，不僅可以有效實現(xiàn)不同官能團單分子氣體的區(qū)分，也可以區(qū)分相似氣味的單分子和混合（自然）氣體。研究進一步分析了該電子鼻對不同新鮮度的食品揮發(fā)物氣體的響應方式，結果表明不同存儲時間的食品氣味誘發(fā)不同的峰電位響應活動;此外，該電子鼻對食品中常見氣味香芹酮

5、的最低檢測濃度可達到10-10M。研究驗證了該電子鼻檢測單分子和混合氣味的可行性，也初步證明了其在痕量氣味、食品檢測等領域的應用前景。
　　2.提出了基于大鼠側嗅束響應記錄的生物電子鼻，提高了氣味檢測的性能
　　嗅球中的僧帽/叢狀細胞對氣味信息整合編碼后，其軸突整合成側嗅束將信息傳遞到嗅覺皮層，因此，相比于局部嗅球的僧帽/叢狀細胞，側嗅束中攜帶了更完整的氣味信息。為了進一步提高在體生物電子鼻氣味檢測特異性，我們將多通道電極植

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

7、綠色熒光蛋白的M72-IRES-tauGFP轉基因小鼠，通過光學成像方法對M72嗅小球精確定位，將MEA探針植入到M72嗅小球區(qū)域，在不同動物之間實現(xiàn)特定嗅小球的響應記錄，結果顯示M72嗅小球對含有苯環(huán)的物質具有高敏感度，檢測特異性高，進一步使用TNT刺激，發(fā)現(xiàn)其對TNT的響應也具有高敏感度，同時，其對TNT的檢測下限小于10-6 M。因此，該電子鼻不僅能實現(xiàn)苯環(huán)物質的特異性檢測，在爆炸物TNT檢測領域也具有應用價值。
　　4.探

8、索研究了哺乳動物在清醒和睡眠狀態(tài)下的氣味感知能力差異的機理
　　以M72-ChR2-YFP和OMP-ChR2-GFP轉基因小鼠為研究模型，使用藍光激活嗅感覺神經(jīng)元，同時記錄多個嗅覺區(qū)域在清醒和睡眠狀態(tài)下的LFP和峰電位響應信號。實驗結果表明在睡眠狀態(tài)下，嗅覺系統(tǒng)的LFP響應幅值和峰電位響應頻率均不小于清醒狀態(tài)，證明了嗅覺感知形成不依賴于神經(jīng)群活動強度和單個神經(jīng)元發(fā)放頻率;進一步研究發(fā)現(xiàn)，在清醒狀態(tài)下，刺激嗅感覺神經(jīng)元使得不同嗅覺區(qū)