本文關(guān)鍵詞：在體生物電子鼻氣味檢測及嗅覺感知機理研究　出處：《浙江大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：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(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,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,提取出氣味相關(guān)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(yīng)信號和記錄特定熒光標記的嗅小球區(qū)域響應(yīng)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(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)下動物的嗅覺感知差異形成機理,即嗅覺門控機理。結(jié)合光遺傳學、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(yīng)信號,研究結(jié)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(yīng),實現(xiàn)了在體生物電子鼻對單分子氣味和混合氣味的高靈敏度檢測。實驗結(jié)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(yīng)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(yīng)方式,結(jié)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(yīng)活動;此外,該電子鼻對食品中常見氣味香芹酮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(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(cè)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(cè)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/叢狀細胞活動經(jīng)過顆粒細胞等中間神經(jīng)元的側(cè)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(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,通過檢測大鼠側(cè)嗅束響應(yīng)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(zhuǎn)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)元表達綠色熒光蛋白的M72-IRES-tauGFP轉(zhuǎn)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(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,檢測特異性高,進一步使用TNT刺激,發(fā)現(xiàn)其對TNT的響應(yīng)也具有高敏感度,同時,其對TNT的檢測下限小于10-6M。因此,該電子鼻不僅能實現(xiàn)苯環(huán)物質(zhì)的特異性檢測,在爆炸物TNT檢測領(lǐng)域也具有應(yīng)用價值。4.探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(zhuǎn)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(yīng)信號。實驗結(jié)果表明在睡眠狀態(tài)下,嗅覺系統(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)域的Y波(30-80 Hz)能量增加,而睡眠狀態(tài)下γ波能量不發(fā)生變化,由于γ振蕩反映了神經(jīng)元活動的同步性,表明了嗅覺感知形成依賴于神經(jīng)元間的同步性。研究結(jié)果表明,嗅覺門控受到神經(jīng)元活動同步性影響,清醒狀態(tài)下響應(yīng)神經(jīng)元活動同步性高于睡眠狀態(tài)。
[Abstract]:The biological olfactory system has a sense of smell sharp, is considered to be one of the most efficient sensing system. Along with the social civilization progress, gas detection technology used to improve the quality of human life, the protection of human health, has been widely used in food safety, drug explosion, disease diagnosis, environmental monitoring and other fields. The bionic electronic nose and from the research experience of organisms based on electronic nose, the paper puts forward a novel in vivo biological electronic nose system: the mammalian olfactory epithelium as primary odorant receptors, odor information modification in the olfactory system, using multi electrode array signal extraction of multiple neurons in olfactory system, through multi dimension pattern recognition algorithm, the decoding of neural signals to extract relevant information so as to realize the air smell, odor detection. This paper from the service life, repeatability, specificity, sensitivity and other aspects Analyze the odor detection performance; at the same time, through the extraction and analysis of response signals of two methods of glomerulus area entorhinal cortex response signal and record the specific fluorescent marker, explore the methods to further improve the biological specificity of detection by electronic nose; at the same time, this paper discusses the biological electronic nose system in food freshness detection, the potential application field of explosion TNT detection. In addition, from the perspective of basic research, this paper studies the olfactory perception differences awake and sleep state of animal and the formation mechanism of olfactory gating mechanism. Combined with the light of genetics, animal behavior, in vivo electrophysiological recording methods, analysis and comparison of the LFP and the peak potential of the olfactory system response under different conditions the research result shows that the synchronization signal of olfactory gating phenomenon depends on brain neuron activity, namely synchronous firing local regional and cross olfactory neurons in brain regions By olfactory perception, rather than absolute intensity of neurons. The main contributions of this thesis are as follows: 1. in-depth study of the in vivo biological electronic nose detection performance and the ability to identify trace odor using multi-channel implantable microelectrode extraction of olfactory bulb in conscious rats and analyze the response of neural element odors, realized in the body biological electronic nose to smell and odor molecules mixed high sensitivity detection. Experimental results show that with the guarantee of neurons in the olfactory system and environmental integrity, compared to the in vitro biological electronic nose, the electronic nose service life of up to 3 weeks; using the method of PCA response signal on rat mitral / tufted cells group classification, distinguish not only can effectively achieve the different functional groups of single molecule gas, can also distinguish between single molecules and mixed similar odor (NATURAL) gas. Further analysis of the electric nose The response to food volatile gas of different freshness. The results show that the peak potential of different storage time and different food odor evoked response activities; in addition, the electronic nose to smell the lowest detectable concentration of common carvone in food can reach 10-10M. study to verify the feasibility of the electronic nose detection of single molecules and mixed smell, too preliminary proved its trace odor, the application prospect of.2. in food detection of rat lateral olfactory tract response of electronic nose based on biological records, improve the performance of olfactory odor detection in mitral / plexiform cells of odor information integration after its integration into the axon encoding, olfactory tract side information transfer to the olfactory cortex, therefore, compared to the local olfactory bulb mitral / tufted cells, lateral olfactory tract with more complete odor information. In order to further improve the in vivo detection of specific electronic nose, We will be multi-channel electrode implantation area from the olfactory bulb to lateral olfactory tract. Due to stimulation of the mitral / plexiform cell activity through intermediate granule cell neurons side inhibition after modification, the output activities carry complete odor information, the results show that the lateral olfactory tract on neuronal spikes recorded spontaneous low frequency and high frequency distribution odor evoked response, the smell of the SNR increases, improve the odor response sensitivity. Therefore, through the detection of rat lateral olfactory tract response signal, improve the in vivo biological electronic nose odor detection of specific.3. of biological electronic nose based on transgenic mice, the M72-IRES-tauGFP transgenic mice quantitative detection of TNT explosives used in the specific olfactory sensory neurons expressing green fluorescent protein, glomeruli and precise localization of M72 by the optical imaging method, the MEA probe into olfactory M72 Small area response records achieve specific glomeruli in different animal. The results showed that M72 sensitivity to glomeruli containing benzene substances with high specificity, detection, further use of TNT stimulation, the response to TNT has a high sensitivity, at the same time, the TNT detection limit of less than 10-6M. so the electronic nose can not only realize the specific detection of benzene substances, in the field of TNT explosive detection also has the application value of.4. explores the odor perception ability difference during wakefulness and sleep state of the mammalian mechanism based on M72-ChR2-YFP and OMP-ChR2-GFP transgenic mice model for the study, the use of blue light activated olfactory sensory neurons, while recording a plurality of smell regional response LFP and peak potential during wakefulness and sleep state signal. Experimental results show that in the sleep state, the olfactory system LFP response response amplitude and peak potential The frequency is not less than the waking state, proved that olfactory perception does not depend on the formation of neural group activity intensity and single neuron firing frequency; the further study found that in the awake state, stimulation of olfactory sensory neurons makes different olfactory region Y wave (30-80 Hz) energy increases, and sleep state of gamma wave energy does not change, because gamma oscillation reflects the synchronization of neuronal activity, show that the synchronization of olfactory perception depends on the formation between neurons. The results show that the sense of smell is affected by synchronous gating of neuronal activity, conscious response to synchronous neuronal activity than sleep.

【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：Q43;TP216

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