【摘要】：氣體檢測(cè)在食品安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、緝毒搜爆和疾病診斷等領(lǐng)域均有不可替代的重要作用。傳統(tǒng)人工電子鼻在一定程度上可以滿足使用,然而其性能在諸多方面遠(yuǎn)遜于生物的嗅覺系統(tǒng),如檢測(cè)范圍、靈敏性、特異性等�；谥踩胧诫姌O和腦機(jī)接口技術(shù),在體生物電子鼻由于利用了完整的哺乳動(dòng)物嗅覺系統(tǒng),因此具有極大的潛能媲美甚至超越生物嗅覺系統(tǒng)。然而其目前的實(shí)用性較低,一方面是因?yàn)橹踩胧诫姌O記錄到的神經(jīng)元具有隨機(jī)性,無(wú)法確保對(duì)指定氣體具有響應(yīng),且配套儀器多,難以擺脫實(shí)驗(yàn)室環(huán)境,另一方面,生物化學(xué)感受機(jī)理不完全明確,單純地把在體生物電子鼻當(dāng)成“黑箱”必然具有局限性。為了解決上述問題,在本課題組對(duì)在體生物電子鼻多年研究的基礎(chǔ)上,本文利用錳離子增強(qiáng)磁共振成像確定氣味響應(yīng)區(qū)域,利用基因工程技術(shù)使嗅感覺神經(jīng)元表達(dá)特定受體,極大提高了記錄到響應(yīng)神經(jīng)元的概率。本文還提出了大鼠嗅覺機(jī)器人的概念,研制了一套大鼠無(wú)線穿戴式系統(tǒng),支持電生理信號(hào)記錄與運(yùn)動(dòng)控制,極大提高了在體生物電子鼻的實(shí)用性。另外,本文還初步研究了麻醉對(duì)嗅球中神經(jīng)元活動(dòng)及鋒電位發(fā)放時(shí)程的影響以及嗅覺損傷對(duì)大鼠苦味感受的影響,這些研究有助于對(duì)生物嗅覺與味覺的機(jī)理的認(rèn)識(shí)。本文主要的創(chuàng)新性研究工作包括:1.提出了利用錳離子增強(qiáng)磁共振成像技術(shù)繪制嗅覺圖譜的方法,為在體生物電子鼻電極植入位置提供了定位指導(dǎo)。在體生物電子鼻植入式電極在嗅球中的植入位置主要依靠研究人員的經(jīng)驗(yàn),無(wú)法確保記錄到多個(gè)對(duì)指定氣體響應(yīng)的神經(jīng)元。本文基于3T和7T磁共振掃描儀并利用錳離子增強(qiáng)成像技術(shù)研究了嗅覺感受神經(jīng)元到嗅球的傳導(dǎo)通路,通過磁共振圖像標(biāo)記了嗅球中對(duì)特定氣體敏感的區(qū)域,在該嗅球區(qū)域植入微絲陣列電極,實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定氣體響應(yīng)神經(jīng)元的記錄,并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)新型的高特異性、低檢測(cè)下限的氣體檢測(cè)系統(tǒng)。2.研究了基于轉(zhuǎn)基因技術(shù)的新型在體生物電子鼻,進(jìn)一步提高了記錄到對(duì)指定氣味響應(yīng)的神經(jīng)元信號(hào)的成功率。由于通過錳離子增強(qiáng)磁共振輔助電生理定位無(wú)法精確到某個(gè)神經(jīng)元或嗅小球。因此,本文進(jìn)一步構(gòu)建了一種DNA內(nèi)攜帶線蟲ODR-10嗅覺受體基因的腺病毒,將其轉(zhuǎn)染在大鼠嗅粘膜上,使盡可能多的嗅感覺神經(jīng)元對(duì)該受體的配體丁二酮有響應(yīng),嗅覺感受神經(jīng)元的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)一步傳導(dǎo)到嗅球神經(jīng)元。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,轉(zhuǎn)染該受體后,電極記錄到的神經(jīng)元對(duì)丁二酮響應(yīng)的比例大幅提高,而對(duì)其他氣味的響應(yīng)比例很低。因此,基于轉(zhuǎn)基因技術(shù)的在體生物電子鼻可以大幅提高對(duì)指定氣體檢測(cè)的成功率。3.提出了結(jié)合穿戴式神經(jīng)記錄和微電刺激的大鼠嗅覺機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法,提高了在體生物電子鼻應(yīng)用的可能性。為使在體生物電子鼻擺脫線纜束縛并應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室以外的環(huán)境中,研制了一套基于Wi-Fi技術(shù)的大鼠穿戴式神經(jīng)記錄和微電刺激系統(tǒng),其具有8通道記錄和8通道輸出,體積小、重量輕,內(nèi)置鋰電池可支持約4小時(shí)電生理記錄或數(shù)天的腦電刺激。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可支持長(zhǎng)時(shí)間高質(zhì)量的信號(hào)記錄。此外,通過對(duì)大鼠訓(xùn)練及在內(nèi)側(cè)前腦束、桶狀胡須區(qū)、背外側(cè)導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)進(jìn)行微電刺激,實(shí)現(xiàn)了大鼠前進(jìn)、停止和轉(zhuǎn)向,并發(fā)現(xiàn)刺激脈沖寬度和幅值都會(huì)影響控制大鼠前進(jìn)的速度,系統(tǒng)壽命可長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月。此系統(tǒng)使在體生物電子鼻可用性進(jìn)一步增加。4.研究了戊巴比妥麻醉對(duì)嗅球中神經(jīng)元自發(fā)活動(dòng)的影響,解釋了動(dòng)物嗅覺感受的狀態(tài)門控現(xiàn)象。盡管目前還沒有不同作用機(jī)制麻醉劑對(duì)嗅覺系統(tǒng)神經(jīng)活動(dòng)影響的系統(tǒng)研究,但幾乎所有研究都表明麻醉會(huì)影響嗅覺系統(tǒng)神經(jīng)活動(dòng)。我們主要研究了戊巴比妥麻醉對(duì)嗅球中神經(jīng)活動(dòng)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在清醒狀態(tài)下,錐體神經(jīng)元和中間神經(jīng)元均會(huì)與呼吸鎖相節(jié)律耦合,兩者與呼吸鎖相節(jié)律的耦合相位略有不同,表明了兩者在嗅覺通路中的相對(duì)位置;麻醉狀態(tài)下,中間神經(jīng)元的耦合幾乎完全消失,錐體神經(jīng)元的耦合也被顯著削弱�；谶@一結(jié)果以及嗅覺感受的狀態(tài)門控現(xiàn)象,我們猜測(cè)嗅球中鋒電位與呼吸鎖相節(jié)律的耦合對(duì)于嗅覺通路中嗅覺信息的傳導(dǎo)具有重要作用,并且可能是嗅覺感受存在狀態(tài)門控的原因之一。此外,我們還發(fā)現(xiàn)戊巴比妥麻醉會(huì)延長(zhǎng)嗅球中神經(jīng)元鋒電位的時(shí)程,并通過麻醉劑對(duì)GABAA受體和離子通道的作用簡(jiǎn)要解釋了其機(jī)制。5.構(gòu)建了嗅覺損傷模型,通過行為學(xué)和電生理實(shí)驗(yàn)初步探索了嗅覺損傷對(duì)大鼠苦味感受的影響機(jī)制。嗅覺和味覺是動(dòng)物最重要的兩種化學(xué)感受系統(tǒng),其損傷與阿茲海默癥和帕金森癥有關(guān)。但目前缺乏嗅覺損傷對(duì)味覺功能影響的研究。本文通過在大鼠鼻腔中灌注硫酸鋅溶液構(gòu)建了嗅覺損傷模型;通過行為學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)嗅覺損傷降低了大鼠對(duì)苦味的敏感程度;通過在大鼠兩側(cè)嗅球和味覺皮層同步記錄電生理信號(hào),發(fā)現(xiàn)單側(cè)嗅覺損傷會(huì)不同程度地影響各腦區(qū)中的呼吸鎖相節(jié)律、γ震蕩及兩者間的耦合;另外,單側(cè)嗅覺損傷會(huì)不同程度地降低兩側(cè)味覺皮層的β波PSD響應(yīng)。
【圖文】：

ｏｄｏｒ邋ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ邋ｏｌｆａｃｔｏｒｙ邋ｓｅｎｓｏｒｙ邋ｎｅｕｒｏｎ逡逑圖１．１嗅感覺神經(jīng)元在嗅上皮中的分布和在嗅球中的投射丨１９丨逡逑３逡逑

傳感器系統(tǒng)”都被成為電子鼻，除了普通的傳感器陣列，氣相色譜（ｇａｓ逡逑ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ，邋ＧＣ）和質(zhì)譜（ｍａｓｓ邋ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ，邋ＭＳ）也被認(rèn)為是電子鼻［３４］。逡逑傳統(tǒng)的電子鼻由多個(gè)氣體傳感器陣列組成（圖１．３）。雖然目前這一領(lǐng)域己經(jīng)逡逑出現(xiàn)了很多新的技術(shù)，氣體傳感器陣列仍然是最常用的方法。該方法的長(zhǎng)期流行逡逑主要有兩個(gè)方面的原因：該方法出現(xiàn)的時(shí)間較早，在許多應(yīng)用中人們都有豐富的逡逑經(jīng)驗(yàn)；該方法的系統(tǒng)架構(gòu)與生物鼻的模型最接近，，每一個(gè)組件都有對(duì)應(yīng)的生物鼻逡逑結(jié)構(gòu)。對(duì)于檢測(cè)氣體物質(zhì)，氣體傳感器對(duì)應(yīng)于生物體的受體，相似的是，它們都逡逑提供了一定的多重性，即并不一定具有完全的選擇性。逡逑６逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：Q811;TN92;TP242

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 莊柳靜;周俊;董琪;鄒瑩暢;胡燕婕;應(yīng)可凈;王平;;利用動(dòng)物嗅覺診斷癌癥技術(shù)的研究進(jìn)展[J];科學(xué)通報(bào);2013年15期

2 周俊;董琪;莊柳靜;吳春生;劉清君;王平;;基于在體植入電極的生物嗅覺傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其氣味識(shí)別[J];傳感技術(shù)學(xué)報(bào);2012年08期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 莊柳靜;在體生物電子鼻氣味檢測(cè)及嗅覺感知機(jī)理研究[D];浙江大學(xué);2017年

2 方可;錳離子增強(qiáng)磁共振成像（MEMRI）技術(shù)及其在研究大鼠嗅覺和腦缺血中的應(yīng)用[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（武漢物理與數(shù)學(xué)研究所）;2005年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 郝鵬;二價(jià)錳離子增強(qiáng)MRI示蹤活體大鼠腦內(nèi)及嗅覺神經(jīng)傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究DTI分析腦部腫瘤周圍白質(zhì)纖維束的改變[D];南方醫(yī)科大學(xué);2011年

本文編號(hào)：2691366