基于植入式脑机接口的在体生物电子鼻研究进展

气味检测在食品安全控制、环境检测、缉毒、炸药搜索等社会安全防范方面起到重要作用。哺乳动物具有异常高灵敏的嗅觉系统,能检测到空气中极其痕量的气体分子,在缉毒、搜爆、反恐等社会防范方面发挥着重要的作用。本课题组提出了一种新型的基于植入式脑机接口的在体生物电子鼻:利用哺乳动物的嗅上皮作为初级气味感受器,气味信息通过嗅球和嗅皮层修饰处理后,将植入式微电极阵列包埋于嗅球或嗅皮层记录其响应信号,通过对记录到的神经元信号进行分析解码,实现气味检测与识别。本文重点介绍了在体生物电子鼻的原理、组成结构、技术实现、应用等,最后,对该领域的发展趋势进行了展望。

高灵敏和高特异性生物嗅觉传感系统研究

利用微电极植入技术,提出了一种新型的生物嗅觉传感系统,将多通道植入式微电极包埋于大鼠嗅球中,提取出嗅球神经元的气味响应信息。通过分析神经元响应活动从而进行气味检测与区分,发现该系统能够长期稳定地用于气味检测,且灵敏度达到10?10 mol/L。在单分子气味或自然气味检测中,该系统都具有很高的特异性。因此,该系统在实际气味检测(如肺癌呼出气体标志物检测、食品新鲜度检测、爆炸物搜索等)领域具有广泛的应用前景。

基于在体植入电极的生物嗅觉传感系统设计及其气味识别

目前生物嗅觉系统在气味识别方面相比于化学传感器阵列构成的电子鼻系统具有更高的灵敏度、特异性和响应速度。为了探讨生物嗅觉传感系统气味识别的可行性,构建了基于微电极阵列传感器植入大鼠嗅球构成的嗅觉传感系统,研究记录了浓度为10 mM的异丁醇、苯甲醚、香芹酮和柠檬醛4种气味刺激引起的嗅球僧帽层低频场电位信号,采用多窗谱估计算法和移动窗技术结合得到随时间分布的功率谱密度图。实验结果发现气味刺激后信号功率谱能量较多分布在gamma频段(40 Hz～120 Hz)。使用K最邻近分类方法对120组数据进行分类识别,4种气味分类正确率达到77.4%。实验结果表明该嗅觉传感系统结合多窗谱估计时频图与K最邻近分类算法可以初步实现气味识别。

基于脑-机接口和嗅觉解码的仿生气味识别系统

为了探讨利用生物嗅觉传感系统进行气味识别的可行性,提出了一种基于脑-机接口的仿生气味识别系统。该系统利用大鼠嗅觉感受细胞作为气味敏感传感单元,使用16通道植入式微丝电极记录和分析具有气味刺激特征的嗅球僧帽细胞电位响应信号。实验结果显示,该系统对气味具有高度敏感性,通过一定模式识别处理算法,不同的气味刺激具有较好的区分性,证明了该系统有望应用于气味的检测和识别。

基于Wi-Fi技术的穿戴式动物嗅觉机器人

基于Wi-Fi技术的动物嗅觉机器人通过对记录的大鼠嗅觉神经元信号进行分析解码,实现气味检测与识别。本嗅觉机器人由大鼠和穿戴式动物神经记录系统组成;其中穿戴式动物神经记录系统包括前置探头、动物背包和用户软件,采用IEEE 802.11g网络协议,最大数据传输率为54 Mbit/s,可同步记录8通道嗅觉神经数据。计算机或i Pad对采集的大鼠嗅觉神经信号进行实时的显示和记录,并使用主成分分析法(PCA)对记录到的数据进行离线分析,实现气味识别。

基于苦味受体表达的多组织细胞传感器及其应用

非口腔组织中的苦味受体(TAS2Rs)可能成为相关疾病治疗的新靶点。该研究将表达有TAS2Rs的细胞作为敏感元件,根据其生理特性与不同的传感器耦合,探究了味觉受体异位表达及其在个性化药物筛选中的应用,构建了针对不同疾病模型的个性化药物筛选平台。首先,基于细胞阻抗传感器以及内源性表达TAS2R38受体的结肠癌细胞,开发了异硫氰酸酯类物质特异性药物筛选平台,求得苯硫脲的EC50为157.6μM;其次,结合微电极阵列检测系统,探究了TAS2Rs激动剂地芬尼多(5~160μM)和水杨苷(0.001~100μM)对心肌细胞收缩的抑制作用;此外,基于3D呼吸道平滑肌细胞(ASMCs)阵列,结合凝胶成像系统,探究了TAS2Rs激动剂桔皮素(20μM)对呼吸道平滑肌细胞的舒张作用。

利用动物嗅觉诊断癌症技术的研究进展

肺癌是威胁人类生命健康最主要的恶性肿瘤之一,实现无创、快速的早期肺癌诊断技术对提高患者的生存率有重要的意义.大量研究结果表明,癌症患者的人体代谢气味,如呼出气体、体液以及排泄物中含有健康人不具有的特异性挥发气体.哺乳动物能够辨别并记忆约一万种不同的气味,部分具有异常高灵敏嗅觉系统的哺乳动物能检测到空气中极其痕量的气体分子.因此,动物的嗅觉在缉毒、搜爆、反恐等社会防范方面发挥着重要的作用.目前,国外学者研究发现哺乳动物能够正确区分癌症患者与健康人的代谢气体,并证明了用哺乳动物检测人体呼出气体从而实现肺癌诊断的可行性.本文首先分析了目前肺癌呼出气体的诊断方法,包括气相色谱-质谱联用方法和正在发展中的仿生电子鼻检测方法,在此基础上,本文重点介绍了基于动物嗅觉进行呼出气体检测诊断肺癌的研究现状,并结合我们实验室进行的利用动物嗅球在体检测气味诊断肺癌的研究工作,介绍了基于动物嗅觉检测肺癌的"在体生物电子鼻"研究进展,最后对该领域的发展趋势进行了展望.

仿生嗅觉感知技术及其在嗅觉障碍疾病筛查中的研究进展

嗅觉障碍是多种疾病的早期症状,如新型冠状病毒感染的症状之一是嗅觉丧失,阿尔茨海默病和帕金森病患者通常伴有嗅觉降低或丧失.研究基于嗅觉功能检测的早期疾病筛查和诊断技术对控制患者病情、改善人类健康具有重要意义.目前嗅觉功能障碍的检测与评价方法尚不能有效地筛查和诊断各类嗅觉障碍相关疾病,而仿生嗅觉感知技术在模拟人类嗅觉感知系统方面具备一定的灵敏度、选择性和准确度,因此在嗅觉障碍相关疾病筛查中具有广阔的应用前景.本文介绍了目前国内外嗅觉功能障碍相关疾病的研究现状,分析了仿生嗅觉感知技术的原理及其在嗅觉障碍与疾病相关性检测与诊断中的研究进展.随着生物医学工程领域多学科交叉融合的发展,细胞网络芯片、类器官仿生芯片以及脑机交互技术的转化应用将促进仿生嗅觉感知技术在嗅觉障碍相关疾病研究中的发展以及临床疾病诊断技术的革新.

仿生嗅觉和味觉传感技术的研究进展

生物嗅觉和味觉系统具有敏锐的气味和味质感知能力,被认为是自然界最高效的感测系统之一。随着人类社会的发展,气味和味质传感与检测技术对于提高人类的生存质量,保障人类健康具有越来越重要的意义,已被广泛应用于食品安全、环境监测和疾病诊断等领域。文章介绍了仿生嗅觉和味觉传感技术的发展,包括电子鼻和电子舌化学传感技术,基于生物敏感材料的仿生嗅觉和味觉传感技术的原理、组成、技术实现及其应用;此外,还介绍了基于脑机交互的新型在体生物电子鼻和电子舌的研究进展;并对国际上仿生嗅觉和味觉传感技术领域的发展趋势进行了展望。

基于呼吸检测的癌症早期诊断技术研究进展

近年来,癌症已经成为发达国家居民的首要致死因素和发展中国家居民的第2致死因素,并且随着老龄化人口的增加,发展中国家的癌症负担也在不断加重.早期检测和治疗可以有效降低癌症的死亡率.目前,癌症的早期诊断依赖于对高危人群的定期体检,检测技术目前主要包括痰细胞学、肿瘤标志物学、血液蛋白组学和医学影像技术.X线胸片很难检测到较小的结节,且无法发现早期肿瘤,假阴性率较高,痰细胞学检查也存在此问题.CT检测灵敏度高于胸片,但当结节直径小于1 mm时,容易出现假阳性结果.

基于小波变换的时频图建模及其在嗅觉场电位分析中的应用

快速有效地提取和比较不同神经信号中所含信息的相同和区别之处是研究者关注的问题。本文介绍了一种基于小波变换的时频建模方法。该方法用少量的半椭球模型来表征神经信号在时域和频域上的变化,克服了传统时频分析中背景干扰大、参数多的缺陷。将该方法应用于嗅球场电位的研究,与支持向量机(SVM)算法相结合,可初步实现气味的分类。

结合光遗传神经调控技术的仿生嗅觉传感系统的研究进展

嗅觉系统是一个极其巧妙的化学感受器,嗅感觉神经元对外界的气味刺激产生响应,然后将此信号传递到嗅球进行信号的整合和处理,最终传递到嗅皮层,嗅皮层作为嗅感觉系统的最高级皮层识别出气味信息,这种响应和传递过程具有高度的灵敏性、特异性和快速性.光遗传学是近年来国际上一个新的发展方向,通过光控制神经细胞可诱发细胞按照某一特定频率发放.仿生嗅觉传感器是一种新型化学传感仿生技术,它以嗅觉受体、细胞、组织等生物材料为敏感元件,结合二级变换器实现对气味物质的特异性和高灵敏的检测,从而达到类似生物体嗅觉的检测性能,将其与光遗传技术结合,可以更深入研究仿生嗅觉系统传递的机制.本文概述了近年来国际上光遗传技术在嗅觉机制研究中的研究进展,并结合光遗传在仿生嗅觉传感技术的研究和我们的研究工作,展望了未来该领域可能的发展前景.