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。

结合基因工程的生物电子鼻用于气味检测的研究

为了实现结合生物工程的仿生嗅觉传感器系统的多气味检测和目标气味的特异性识别和区分,使用生物工程化的大鼠嗅觉系统作为敏感元件,植入嗅球的多通道微丝电极作为换能器,采用无线数据采集系统收集和分析响应信号。最后,利用Matlab计算神经元平均放电率,对神经元的气味响应进行相关性分析和主成分分析,证实了该系统检测和区分不同气味的性能。创新性地提出将嗅觉受体基因整合、克隆到在体嗅觉细胞上,用于改造生物嗅觉系统,使之可以对目标气味分子产生敏感的响应信号。结果表明结合基因工程的生物电子鼻系统能够显著增强其检测特异性目标气味的性能,在环境监测、公共安全等领域中有很大应用潜力。

结合磁共振成像和脑机接口的新型在体生物电子鼻的研究

在体生物电子鼻利用了哺乳动物的嗅觉系统,因此具有很高的灵敏度和特异性,但在嗅球中植入电极的过程中其位置主要根据经验确定,因此成功率并不理想。利用锰离子的钙离子相似性和强顺磁性,在10只大鼠单侧鼻腔中滴入锰离子并给予气味刺激,进行磁共振扫描并标记出大鼠嗅球中的对特定气味的响应区域。在该区域中植入微丝阵列电极,记录电生理信号并就行神经信号解码,实验结果表明,受到该特异性气体刺激后,嗅球神经元的电生理信号中LFP信号β波能量增强,spike信号对该气体刺激也会有响应,并且有些通道的spike发放频率变化与刺激气体的浓度有较好的线性关系。此方法对乙酸异戊酯和正丁酸的检测下限分别为0.033和0.007 2μM。第一次利用锰离子增强磁共振辅助定位的生物电子鼻,未来在爆炸物搜索、食品安全等方面都有广阔的前景。

从电子鼻到生物电子鼻(英文)

某些被称作“电子鼻”的仪表已商品化,此类仪表通常是一个基于某种传感原理的多传感器系统,所应用的单个传感器常显示漂移和灵敏度不足等问题。因而导致了传感器阵列在标定和重现性方面的明显缺陷。作者致力于开发对多种化学组份具有精确时间和空间分辨特性的“化学图象”。采用了由足够数量经标定的传感器阵列所构成的“电子鼻”来提高对气味的人工识别。为了得到优异的“化学图象”,首先需对甚至在理论上高达10^(21)个的参数进行测量和数据采集,然后再以模式识别方法对所得信息进行综合及解析,方有可能得到接近实际的“化学图象”。近来,作者已将此种努力扩展至生物传感器体系,因而出现了“电子鼻”技术与生物体系高效杂交的系统,推动了正在酝酿中的“生物电子鼻”的出现。

仿生嗅觉神经芯片的研究进展

嗅觉神经芯片是在电子鼻和细胞传感器研究的基础上,在芯片表面培养嗅觉感受神经元所构成的一种神经芯片。该技术是通过用微电极阵列等芯片技术记录气体分子作用于神经元膜表面嗅觉受体产生的动作电位而达到气体检测的一种更具仿生意义的生物电子鼻技术。在嗅觉生物学研究的基础上对嗅觉芯片的研究进行了综合论述,重点介绍了嗅觉细胞的培养和神经芯片技术等嗅觉芯片相关技术的研究进展。并对该领域的应用前景进行了展望。

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.