大鼠嗅球氣味響應在體分析與生物電子鼻研究.pdf

1、生物嗅覺系統(tǒng)對氣味具有較高的辨識度，在氣味識別速度、氣味識別精度上遠遠超過目前基于化學傳感器陣列構建的電子鼻系統(tǒng)。但如何將生物嗅覺應用于實際的氣味檢測中，仍然存在著很大的挑戰(zhàn)。氣味分子在動物鼻腔中與嗅覺感受細胞作用后，化學信息轉變成生物電信號傳導至嗅覺信息處理的中轉站—嗅球。通過嗅球?qū)馕缎畔⒌奶幚碚希嵊X信息進一步傳遞給大腦皮層中嗅覺相關的皮層，實現(xiàn)氣味認知。其中，嗅球被認為是嗅覺初級中樞，對嗅覺形成起到了關鍵的作用。理解嗅球的氣味

2、認知機制，在嗅覺信息處理和實際氣味檢測中都具有重要意義。
　　 目前，對于氣味刺激產(chǎn)生的嗅球細胞響應記錄主要采用膜片鉗技術和光學成像技術。膜片鉗技術不能實現(xiàn)多點同步測量，缺乏大量神經(jīng)細胞協(xié)同作用的信息，而光學成像技術背景噪聲大，成像精度仍較難突破。因此，采用植入式微電極陣列傳感器對嗅球電生理信號進行長時程、多點同步的監(jiān)測與分析，有利于理解嗅球細胞群的信息處理，實現(xiàn)生物電子鼻的設計。本文對嗅覺系統(tǒng)多個層次的細胞進行了基于電生理數(shù)據(jù)

3、的細胞建模與仿真，設計了基于植入式傳感器的在體嗅球僧帽細胞氣味刺激響應記錄與分析平臺，分析了嗅球僧帽細胞群氣味響應模式。結合生物學和工程學手段，構建新型的生物電子鼻系統(tǒng)實現(xiàn)氣味識別。
　　 本論文的主要內(nèi)容和貢獻如下:
　　 1.對嗅覺系統(tǒng)多個層次的細胞進行建模仿真。利用電生理信號建立了基于電壓門控通道的嗅覺感受細胞電生理模型，并仿真了嗅覺感受細胞受到刺激時引起細胞動作電位的發(fā)放。仿真了僧帽細胞電生理模型。探索了嗅覺系統(tǒng)

4、模型對嗅覺生理現(xiàn)象的仿真，并結合生理實驗測得的數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進行了優(yōu)化。
　　 2.設計了麻醉大鼠嗅覺氣味響應研究系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括氣味刺激裝置、呼吸信號記錄裝置、電生理信號記錄裝置、記錄電極的制備平臺和數(shù)據(jù)分析平臺。詳細描述了大鼠的手術流程與電極植入過程，并對嗅球切片進行染色，驗證電極植入位置。
　　 3.提出了短時程氣味刺激下大鼠的快速氣味感知，實現(xiàn)了時間依賴性的氣味分類。采用細胞群脈沖發(fā)放矩陣模式分析法，在特征空間中

5、繪制了僧帽細胞群對氣味刺激的空間響應曲線，表明麻醉大鼠在短時程氣味刺激后的第一個呼吸周期內(nèi)就完成了對氣味的感知。選取細胞發(fā)放相似時間段內(nèi)同步記錄的僧帽細胞群脈沖發(fā)放特征，用主成分分析方法實現(xiàn)了對五種氣味的分類。
　　 4.提出基于僧帽細胞層場電位信號的生物電子鼻設計。低頻場電位信號穩(wěn)定且容易獲取，在不同氣味刺激下功率譜能量分布存在差異。使用K最鄰近分類算法對多窗法譜估計得到的四種氣味刺激時頻圖進行分類，在信號伽馬頻段(40～12