（生物医学工程专业论文）嗅觉神经系统识别机理模型仿真研究.pdf

浙讧太学硕士学位论文 a b s t r a c t n o wm o r e 孤dm o f es c i e n t i s t sh a v ep u tt h e i re ”si i lt h er e s e a r c ho ft h en e u r a l s y s t e m ，e s p e c i a l l ya b o u tt h eo l f a c t o r ys y s c e m n 0 to n l yi s i td u et ot l l ef a dt h a t o l f a c t o r ys y s t e mi sy c ta m o n gt h em o s tu i l l 【l l o w ns e n s o r yi l c u r a ls y s t e m s ，b u ta l s o b e c 卸s eo l f a c t o r yn e u 碍ls y s t e mh a sb e e nr e p o n e dt ob et i g l l t l yr e l a t e dt ot h el e a m i n g 姐dm e m o r ym e c h a n i s m so ft l l eb r a i n t h e r e f o r c ，o l l rs t i l d yc o u l dh e l pe x p l o r ca n d u n d e r s t 觚dm c c h 扣1 i 锄so fo l f a c t o r ys y s t 锄柚dc v e nb i 菌n a tp 咒s e n t ，w o r kb e i gd o n eo nt l l cm e c h a n i s m so f0 i f a c t o r ys y s l e mi ss t i 玎a ta p r e l i m i n a f ys t a g c t h em a i n a s o ni st h ec o m p l i c a e da n a t o m i cs t m c t u r co ft h el l a 鼢l c a v i t ya i l dt h es p e c i a lp h y s i o l o g i c a ll o c a t i o n o ft 1 1 eo l f a c t o r yr e 酉0 n ，w 血i c hh 踮c a u s e d m u c ht r o u b l ei 1 1d 打e c te x p e d m e n ts t u d i e s h o w e v e r o 啪b 蛐ge x p c f i n l c n t sw i n l m o d e l sh 弱p r 0 v i d e daf c a s i b l ea i i d 姐e 矗b c t i v ca l t e m a t i v ea p p f o a c h 1 nt h i sp a p e r ，w e f i i 吼b r i e n yi n 删u c eas e to ft y p i c a lm o d e l se v c rp r o p o s e do no l f 缸t o r ys y s t e m ，t h e n c r c a t eam o d c lo ft h e1 0 c u s t 姐t e i l l l a ll o b ef b c u s e do ns p a t i o t e m p o r a lc o d i n ga n d d e c o d i n gm e c h a l l i s m s e i e c 乜o p h y s i o l o 西c a lc x p 洳e n t si nt h el o c u s t 锄t e 加a ll o b ch a v es u g g e s t e dt h a t t h e f ! i r j n g a c t i v i t j e so f e x c i t a t c 吖p m j e c t i o nn e u r o 璐( p n s )p f e s 胁td j f f c 瑚l t s p a t i o t e m p o r a lp a t t c m sc o e s p o n d i n 鲥yt od i 仃e r c n to d o r s i i lt h i sp a p e r w es o u g h tt o i n v e s t i g a t 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； s p a t i o t e m p o r a lc o d i n g ； s i m u l a t i o na n dm o d e l i g i i 浙江土学硕士学位论文 第一章绪论 神经系统，特别是大脑的研究已经引起了世界各国广泛的关注。研究神经 系统最直接的方法是分析感觉系统的工作机制，而所有的感觉系统中，嗅觉系统 退化地最快。可是人们总认为，与视觉、听觉、触觉相比，人类的嗅觉显得并不 重要。但众多证据显示，人类的嗅觉比我们所想的重要，嗅觉是维持健康与生存 的重要工具。嗅觉不仅让人的感觉更加细致入微，而且对感知周围环境、以至于 更好地生存也起着重要作用。而且嗅觉系统为其他感觉系统的进化指明了方向， 对嗅觉系统工作机理的研究使人们对大脑的认识大大加深了一步。对嗅觉生理的 了解无疑可以促进整个生物学的研究，嗅觉系统的一般性原理似乎也可以应用到 其它感觉系统。比如，信息素是种能影响不同社会行为的分子，特别是在动物 中。 相对而言，嗅觉可能是被了解得最少的感觉，一方面由于嗅感受器的位置 隐蔽难于研究，另一方面亦由于嗅觉是一种主观感觉，很难通过对低等动物的实 验研究获得对人类嗅觉形成机制的认识，而人类的嗅觉与某些低等动物相比，经 过了千百年的演化之后，几乎是退化的，而且嗅觉的外周机制和中枢机制也都有 待于深入探讨。本课题就嗅觉神经系统识别机理的有关问题做一些基本研究。 1 1 嗅觉研究重要性 嗅觉是人体功能中不可缺少的一个重要组成部分，嗅觉对于人类生存起着举 足轻重的作用。当人们品尝到真正使人感到味美的佳肴之时，其实主要是人们的 嗅觉系统被其探测到的气味分子所活化之后，向大脑发出信号的一种体验，认为 是好的品质。一杯好酒或一颗野生的草莓激活了不同的气味受体，使我们感知到 不同的气味分子。不同的气味对人的情绪影响很大：人闻到好闻的气体就比较愉 悦，闻到腐败气体就会恶心，甚至引起一些生理反应，如呕吐。一种独特的气味 可能唤起我们儿时好的或坏的情感的独特记忆。只不新鲜的使人不舒服的蛤蜊 会给我们留下持续多年的记忆，使我们不再去吃不管是多么诱人的蛤蜊大餐i 。 而且人的自身安全也与嗅觉有关系。如发生毒气渗漏、煤气泄漏时，有人很敏感， 浙讧太学硕士季位论文 马上有反应，很早能发现，就可以尽早采取安全防范措施。 此外，嗅觉的减退或丧失是导致许多老人或病人厌食的重要原因，嗅觉功能 障碍也是老年痴呆的早期症状之一。对嗅觉生理的了解将有助于对这些疾病的认 识，以及对它们进行早期诊断，并发现有效的治疗手段。虽然嗅觉系统理论还不 能马上应用到临床治疗中去，但气味受体今后可以作为一种工具来研究大脑的功 能，并最终应用到大脑功能障碍的治疗中。 失去嗅觉是人类一种严重的残疾，如果丧失嗅觉，不仅会对人们辨别气味物 质带来严重障碍，人们将无法体验到不同风味的美食佳肴，接收到的食物的信息 就要少一半。一旦失嗅，人们对于危险信号也无法识别，对面临的危险就察觉不 到。例如来自火灾的焦糊气味、泄漏的煤气味等等。这体现了人身安全防范对嗅 觉的要求。 嗅觉对于许多成体动物来说，具有极重要的意义。因为它们观察以及感知周 围的环境主要通过感觉到的气味，许多动物利用气味来区分敌我，追求异性与辨 认势力范围【2 1 。所有活的有机体都可以探测和鉴别环境中的化学物质，这对选择 合适而避免腐烂的不好的食物有重要的生存价值。嗅觉对于一个新生的哺乳动物 幼兽寻找妈妈的乳头和吮奶是绝对必要的，没有嗅觉，幼兽在没有帮助的情况下 不可能存活。 研究表明，嗅觉神经系统和其他的感觉神经系统具有同源性和一定的相似 性，所以在脊椎动物大脑的进化过程中，嗅觉系统可为其他感觉系统的进化指明 方向。对嗅觉神经系统的研究对于理解其他感觉神经系统和脑的信息处理机制都 有很重要的价值；对嗅觉系统工作机理的研究，对人们进一步开展嗅觉的外周机 制和中枢机制的研究，以及深入的开展对大脑的研究都具有重要意义。而且研究 嗅觉的意义不仅是研究一种功能现象，还在于它的周边效应和对整个社会安全防 范的各个方面，包括对缉毒、反恐都有重要意义。 以上各个方面，决定了嗅觉研究的重要性。 晰江土学嘎士学位论文 1 2 课题的提出与研究目标 1 2 1 课题的提出 嗅觉是由气体物质刺激嗅觉感受器引起的感觉，它是一种特殊的化学感觉。 嗅觉系统已经有几百万年的进化，它能对大量不同的复杂气味进行辨识，人类嗅 觉能够识别和区分含量低至1 0 d 2 级微量易挥发的不同分子结构的化学物。嗅觉 系统能从不同的水平对气味进行不同层次的描述，如芳香味的 薄荷昧的 绿薄荷的。 为了实现在某些应用领域客观地鉴别气味的目标，已有的方法有： 1 ) 人工鉴别，应用于食品工业。其气味鉴别是由受过专门训练的人员担当， 通常用来确定酒、香水以及食品的价格。他们分别相互交叉嗅测各种气味，以力 求达到比较客观的结论，但此法的不足是人工费用高，易受生病等因素的影响， 并且其评判结果存在相当大的个体差异，即使是同鉴别者也随其身体状态、情 绪、环境的不同而产生不同的结果。 2 ) 工程师和化学家们通常选用以下两种方法即利用通常廉价和简便的 化学或生化传感器，或利用昂贵复杂的分析化学仪器，两种方法共同的缺点是其 实验结果并不是直接与一种气味的鉴别相关联【，】。例如，单个化学传感器不能直 接用来鉴别具体的咖啡香味，分析化学家们用气相色谱仪和质谱仪检测的结果也 是如此。 3 ) 化学传感器系统，即电子鼻，它通过组合气体传感器阵列与人工神经网 络来解决上述问题。但目前电子鼻的开发水平远低于其它人工感觉系统，例如用 影像机实现的视觉，用麦克风实现的听觉以及用压力传感器实现的触觉。应用于 电子鼻开发上的嗅觉可能是被了解得最少的感觉，一是由于嗅觉感受器的位置隐 蔽难于研究，二是由于嗅觉生理具有特殊性，许多理论和技术问题( 如嗅觉系统 与三叉神经系统之问的关系，刺激物的数量、强度和频率的控制等) 尚待解决。 目前人们对嗅觉神经系统的研究取得了较大的进步，但尚处于探索阶段。这 主要是由于鼻腔的复杂结构及嗅区的特殊生理位置，为直接的嗅觉实验研究带来 了不少困难；而实验的定性研究与模型的定量分析相结合，却为研究嗅觉机理提 供了一种行之有效的新方法，这为我们进一步揭示嗅觉系统的机理创造了有利的 3 湃缸文学硕士学位论文 条件。 1 2 2 课题研究目标 所谓建模与仿真，就是依据生物的本来面目建立构成生物功能各组成部分相 互作用的数学模型，在生物参数已知的条件下，用计算机计算在各种不同条件下 的生物性能数据，从而开创了一种不做生物实验而获得生物实验结果的方法。 由于现有的实验条件和技术尚难于对嗅觉系统特定细胞的固有电流和特定 网络内突触电流的动态变化作生理状态下的在体的观察研究。因而本论文在对嗅 觉神经系统识别机理模型研究的基础上，并结合蝗虫触角叶解剖结构，建立了蝗 虫触角叶仿真模型，把各种离子电流公式化，应用计算机超强的计算能力，进行 仿真建模。并通过改变突触电流的仿真参数，研究神经递质对嗅觉时空编码的影 响，使我们对同步振荡现象以及突触联接在嗅觉识别中起的关键作用有了进一步 的认识，对我们下一步的实验具有重要的参考价值。 1 3 论文主要内容 本文的具体构成及主要内容安排如下： 第一章“绪论”简单介绍了嗅觉研究的重要性以及课题的研究目标。 第二章“嗅觉神经系统概述”介绍了嗅觉神经系统的生理结构以及嗅觉系 统的主要研究方法。 第三章“非解剖模型和k 系列模型”先简要介绍了早期的嗅觉系统模型，着 重介绍k 系列模型的结构、特点以及在模式识别问题中的应用。 第四章“嗅觉神经网络动力学模型”以嗅觉神经系统的时空编码和解码机 理研究为重点，主要介绍了基于时空编码的神经网络动力学统计模型。 第五章“神经递质在嗅觉编码中作用的仿真研究”在蝗虫触角叶仿真模型 基础上，通过改变突触联接仿真参数，使我们对同步振荡现象以及突触联接在 嗅觉识别中起的关键作用有了进一步的认识。 第六章“总结与展望”对作者所做的工作和取得的研究成果进行了总结， 并分析了研究中存在的问题，对本课题的研究进行了展望。 4 晰皿大学硕士学位论文 1 4 本章参考文献 【1 1 2 0 0 4 年诺贝尔生理学或医学奖生命科学，2 0 0 4 ，1 6 ：4 1 3 - 4 1 5 ( 2 l 马云慧，于秋玲。揭开嗅觉之奥秘，宝鸡文理学院学报( 自然科学舨) ，2 0 0 5 ，2 5 ：7 3 - 7 6 p 】g o e p e lw ：从电子鼻向生物电子鼻发展的嗅觉和模块式传感器系统传感器世界，1 9 9 9 ，3 ： 1 1 0 5 淅幸土学硕士学佳论文 第二章嗅觉神经系统概述 2 1 嗅觉系统的生理结构 嗅觉的灵敏性很高，人的嗅觉可以觉察到每升空气中仅有的0 0 0 0 0 4 毫克的 人造麝香或0 0 0 0 0 0 0 0 4 毫克的硫醇，某些疾病( 如感冒) 会降低嗅觉的敏感性。 人类的嗅觉敏感性虽然高，但是与其他的哺乳动物相比，入和猿猴都属于钝嗅觉 类，其他哺乳动物则多属于嗅觉高度发达的敏嗅觉类。例如狗的嗅觉敏感性就比 人的高很多i l j 。嗅觉系统存在适应性，但是嗅觉系统对于某一种气味适应以后， 对其他的气体仍然很敏感。 对嗅觉系统的生 理解剖结构研究表 明，完整的嗅觉系统 主要由嗅上皮、嗅球 层( o l f a c t o r y b u l b ， o b 、和嗅皮层三部分 组成，按层状结构排 列。哺乳动物嗅觉通 路的主要结构如图 2 1 所示，下面分别 对各个层次的结构和 图2 1 嗅觉系统的解蠢4 结构 功能进行描述。 2 1 1 嗅上皮 嗅上皮也称嗅粘膜，主要由嗅感觉神经细胞( 0 l f a c t o r ys e n s o r yn e u r o n ， o s n ) ，支持细胞( s u p p o n j n gc e l l ) 和基底细胞( b a s a lc e l l ) 三种细胞构成，其 上覆有厚度不等的流动粘液。 嗅感觉神经细胞是嗅觉感受器，是特化的双极神经元，细胞呈杆状，其树突 6 晰江土学埙士学位论文 伸展到粘膜表面，其上含有定数日的特异性纤毛，扩大了与气味分子相互作用 的表面。嗅纤毛相当于神经元的周围突，由细胞顶端伸向粘膜表面，包埋在粘液 中。细胞底部变细伸出轴突穿入基膜，构成无髓硝的嗅神经，然后集合成若干( 约 1 5 2 0 ) 小束，称为嗅丝。嗅丝沿着嗅上皮上行，经筛骨的筛孔进入颅腔，到达 嗅球。嗅感觉神经细胞起着感受和传导的双重作用，人两侧嗅上皮上共约有1 0 6 1 0 8 个嗅感觉神经细胞【2 】。支持细胞，位于嗅感觉神经细胞之间，细胞呈高柱 状，除支持作用外，可能还分泌粘液，而不直接参与嗅觉处理。基底细胞，位于 嗅上皮基部，有支持及补充其它嗅上皮细胞的作用。嗅感觉神经细胞一生都在不 停的更换，每个嗅感觉细胞的寿命只有一两个月，新的嗅感觉细胞从嗅上皮中的 基底细胞层中生长出来。气味识别的起始是通过嗅觉神经元纤毛上特异性的受体 与气味相结合。如果选择性地移去这些纤毛，就会失去嗅觉反应。 鼻上皮上还有三叉神经分布。一些有刺激性的气体，如：葱头，氨，盐酸， 乙醚，氯仿等，不单能刺激嗅感受器引起嗅觉，同时也刺激鼻上皮上的三叉神经 末梢，引起鼻粘膜、呼吸和眼的反应，如：咳嗽，喷嚏，流涕，流泪等。 2 1 2 嗅球层 嗅球是嗅通路中第一个突触中继中枢。它接受来自嗅上皮的嗅感受神经，嗅 皮层中的前嗅核以及梨状皮层的神经轴突输入，同时嗅球的主中继神经元发出其 轴突经侧嗅束，投射到嗅皮层。嗅球呈扁椭圆形，位于额叶与筛板之间，向后延 续为嗅柬，嗅束长度约为嗅球的2 4 倍，嗅球租于嗅束后端，后者又 r 于嗅束中 部f3 1 。 图2 2 为嗅觉系统的简化结构图【4 j ，较为清楚的描述了嗅球处的神经解剖结 构。像脑的大多数神经中枢一样，嗅球由三种基本类型的神经元单元组成1 5 j ：( 1 ) 输入纤维，( 2 ) 主神经元，( 3 ) 内在神经元。 1 输入纤维 输入纤维由外源纤维组成，它把信息从神经系统的其它部分带至嗅球。输入 纤维有两种类型，一种是来自鼻的嗅感觉细胞的传入输入，另一类外源输入由来 自端脑的中枢性输入组成。 2 主神经元 晰讧太学硬士学位论文 嗅球所包含于脑其它部 分相同的第二类单元，是发出 轴突把嗅球的输出带至其它 区域的神经元，在中枢神经系 统研究中这通称为主神经元 ( p r i i l c j p a ln e u m n ) 。在嗅球 中实现这种功能的主要细胞 类型是僧帽细胞( m ) ，丛状 细胞( t ) 。 僧帽细胞在嗅球中是最 大的，胞体直径1 5 3 吼m 。 每个僧帽细胞伸出一支主轴 突，升向表面，末端呈簇状地 终止于一个嗅小球中。僧帽细 图2 2 嗅觉系统的简化结构图 胞的主轴突在嗅小球中与由嗅上皮输入的嗅感觉神经元轴突通过突触连接。每个 僧帽细胞也发出若干次级树突，在嗅球中呈水平和切向方位，次级树突略作分支 并终止。僧帽细胞的另一极轴突经过侧嗅柬，投射到嗅皮层。 丛状细胞根据其位置分内丛状细胞、中丛状细胞和外丛状细胞，树突分布于 突触球层，内、外丛状细胞和僧帽细胞的轴突一起参与嗅束的构成，而中丛状细 胞的轴突则分叉后分布于颗粒细胞层。 3 内在神经元 第三类神经元单元是内在神经元( 中间神经元) ，其定义为轴突和树突完全 限制在给定区域的细胞，在嗅球中有两种主要类型：颗粒细胞( g r ) ，球旁细胞 ( p g ) 。 球旁细胞位于突触球周围，轴突参与球周局部神经元回路的形成。颗粒细胞 在嗅球中是数目最多的细胞，无轴突。浅层颗粒细胞的树突在外丛状层浅部与丛 状细胞的二级树突形成突触回路，深层颗粒细胞则在外丛状层深部与僧帽细胞的 二级树突形成局部突触回路。由此可见，嗅觉系统内存在两种平行的嗅觉信号处 理机制的观点是有一定道理的。另外，在各突触球、两侧嗅球、嗅中枢神经元之 8 浙讧土学暖士学位论文 间均有着广泛的神经联系，起着相互影响和反馈的作用。 在嗅小球内，嗅感觉神经的轴突在僧帽细胞和丛状细胞的树突上形成兴奋的 突触连接。单个嗅小球可以被看成是一个嗅觉轴突汇聚中心，这些轴突来自同一 类型的嗅感受器；嗅感受器的特定信号传输到由嗅小球支配的僧帽细胞和丛状细 胞。在老鼠中，每个嗅小球接受来自数千个嗅感觉神经元汇聚的轴突输入，并由 大约2 0 个僧帽细胞的初级树突支配。如果我们把一个嗅小球连同和它相连的神 经元看成是一个嗅小球模块，那么老鼠主嗅球可以简化为由1 8 0 0 个这种模块组 成。气味分子信息由局部神经元回路( 1 0 c a ln e 啪n a ld 咖j l s ) 处理，这个回路是 由主嗅球的模块内以及模块间的突触的相互作用来调解的。然后僧帽细胞和丛状 细胞的轴突再把信息传递到嗅皮层。 在主嗅球中，嗅小球模块通过神经元回路互相作用，这些神经元回路由局部 中间神经元颗粒细胞和球旁细胞组成。僧帽细胞和丛状细胞发出次级树突， 并和颗粒细胞的树突形成大量相互作用的树一树突触。这些相互作用的突触包 括：僧帽细胞到颗粒细胞的以谷氨酸盐为媒介的兴奋性突触和颗粒细胞到僧帽细 胞的以g a b a 为媒介的抑制性突触。所以，一个僧帽细胞和丛状细胞的激活会 导致细胞的反馈抑制，也就是邻近的僧帽细胞和丛状细胞的侧抑制( 1 a l e m l i l l l i i b m o n ) 。僧帽细胞和丛状细胞的主树突和嗅小球内的球旁细胞形成相互作用 的树一树突触。其中一些球旁细胞传递抑制性输出到邻近僧帽细胞和丛状细胞的 树突，这表明球旁细胞也提供僧帽细胞和丛状细胞的侧抑制。有证据表明，僧帽 细胞和丛状细胞间通过中间神经元的相互作用在嗅觉信息处理中起着重要作用。 2 1 3 嗅皮层 嗅皮层指包括前嗅核，梨状皮层在内的深层的嗅觉中枢。僧帽细胞和丛状细 胞的轴突在主嗅球后部汇聚形成侧嗅束进入前脑嗅皮层，另一部分直接进入丘 脑、下丘脑、眶内皮层，再入眶前皮层、海马。嗅束接近前穿质处形成嗅三角， 其底部两侧发出两条灰质带：即外侧嗅回和内侧嗅回。前者移行于梨状皮层，其 内侧缘的纤维束( 外侧嗅纹) 至岛回，终止于杏仁核周区；后者移行于大脑半球 内侧面隔区，通过内侧嗅纹中的纤维束连接终板旁回、胼胝体下回和前海马残体， 部分内侧嗅纹经前连合与对侧嗅球联系【6 1 0 对刺激具有相似敏感性的皮层神经元 9 淅讧太学硬士学位论文 彼此相近，在嗅皮层区接受某种受体输入的位点对于不同的动物相似或对等，大 多数在脑的两个半球呈对称分布。来自一种受体的输入可进入嗅皮层多个区域和 一个区域的几个位点。不同受体的输入进入部分重叠的神经元丛或被合并于单个 的皮层神经元。 研究还表明海马和齿状回的传入前穿质的纤维主要来自内嗅皮层，而内嗅皮 层的传入纤维有将近2 3 来自旁嗅皮层和旁海马皮层，二者与额叶、颞叶和顶叶 联合区都有广泛的双向纤维投射，这说明嗅皮层不仅起着传递信息的通路作用， 也有着重要的记忆功能。 不同嗅皮层区的信息传递到不同的脑区，具有不同功能的多个脑区可能接受 到来自相同受体的输入。大多数嗅皮层区的信息被中继到额前皮层和下丘脑外侧 部。前部和后部的梨状皮层形态不同，功能上可能也不同，其信号传递到不同额 前皮层区门。 2 2 嗅觉传导通路 气味分子与嗅区最外层的粘膜上的纤毛接触时，发生物理吸附，并向粘膜中 扩散，同时发生化学作用。嗅上皮上对气味分子敏感的嗅感受器与气体分子结合 后，产生感受电位，经嗅神 经纤维沿细胞轴突到达第一 神经元( 嗅小球) ，再从嗅小 球的输出端汇入第二神经元 ( 僧帽细胞) 。在组成嗅束 后，经一、二级神经元处理 后的信号传递到大脑皮层有 关区域，经大脑的分析处理， 产生嗅觉判断【8 1 ( 图2 3 ) 。 接受和整合嗅觉冲动的大脑 区域称为嗅脑，可分为外周 部和中枢部。嗅脑外周部包 括：嗅球，嗅束，嗅三角。 图2 - 3 嗅觉传导路 1 嗅细胞2 嗅神经3 嗅球4 嗅三角5 嗅束6 海马 7 梨状区8 乳头区9 前穿质加隔区1 1 丘脑髓纹 1 2 缰核1 3 被盖网状核 湃讧太学硕士学位语文 嗅脑中枢部包括：嗅结节，嗅纹，部分杏仁复合核和前梨状区皮质( 前梨状区皮 质是前穿质，颞叶前内侧部，外侧嗅纹，海马钩和旁海马回前部等的统称) 。嗅 觉传导通路结构复杂，嗅束纤维终止的中枢部位尚未完全解决1 2 1 。 其中嗅球是嗅觉通路中的一个中间单元，也是一个很重要的单元。通常认为 嗅球已经具有一定的信息处理功能。但是气味分子的编码，识别以及与嗅觉相关 的气味信息在神经系统中的表达，传递，存贮方式目前还没有公认的理论解释。 2 - 3 嗅觉系统研究方法 长期以来，对于嗅觉能力的检测或嗅觉疾病的诊断，主要依赖患者的主诉和 一些主观的检查方法，如常用的标准微胶囊嗅功能检查法( u n i v e 巧i t vo f p e 蚴s y l v 觚i as m e l li d e n t m c a t i o nt c s t ，u p s l l r ) 、t t 嗅觉计和静脉性嗅觉试验 等，它们的主观随意性大，结果不够可靠。因此，人们一直致力于寻找一种客观 的嗅觉系统研究方法。 目前，应用较广的研究方法主要分为以下三类，第一类：嗅性诱发电位 ( 0 l f a d o r ye v o k c dp o t e n t i a l s ，0 e p ) ：第二类：脑功能成像技术；第三类：嗅 觉神经芯片。 2 3 1 嗅性诱发电位 嗅性诱发电位作为一项客观而灵敏的电生理指标，对于嗅觉系统及其相关疾 病的诊断具有重要的临床应用价值。嗅性诱发电位是由气味剂( o d r a n t s ) 或电脉 冲刺激嗅粘膜，应用计算机叠加技术，按国际标准1 n ，2 0 法在头皮特定部位记录 到的特异性脑电位。由气味剂刺激诱发者亦称嗅性相关电位( o l f a c i o r ve v e n t r e l a t e dp o t e n t i a l s ，0 e r p ) 州。但在当时的实验条件下，不能排除三叉神经受刺 激诱发的电位的影响。1 9 7 8 年，k 0 b a l 等研制了一种嗅觉刺激装置，其在刺激嗅 区粘膜的同时不会引起呼吸区粘膜的温度和体感变化。后来，人们又发现了仅能 兴奋嗅觉系统而不兴奋三叉神经系统的化学物质，如香草醛( 3 甲氧基4 羟基甲 醛) 、硫化氢等。从此，嗅性诱发电位的研究得到了较快的发展。 目前，嗅性诱发电位在临床上主要应用在：1 嗅觉障碍的诊断：它与伴发 负电改变结合还可以诊断嗅觉减退、嗅觉倒错；对于婴幼儿、脑损伤患者的嗅觉 浙讧大学碛士学位论文 水平的检查，也具有重要作用。2 嗅觉水平的监测和评价：嗅觉系统邻近区域 的手术，尤其是前颅窝和某些鼻部手术，很容易伤及嗅觉系统，引起嗅觉功能障 碍。如果应用嗅性诱发电位对嗅觉水平作术中监测和术后检查，可以降低这一并 发症的发生率以及客观评价手术效果。3 某些临床疾病的辅助诊断：嗅觉系统 疾病如嗅神经母细胞瘤，另外如帕金森病、老年性痴呆等疾病早期往往伴有嗅觉 水平的下降，故嗅性诱发电位可用于这些疾病早期诊断的参考。 然而，由于o e p 记录的都是大脑内部神经活动的电磁信号在脑外的反映，在 数学上，从脑外的信号来逆推脑内的神经活动的源定位，有着固有的非唯一闯题。 而且嗅性诱发电位各波的具体来源及其与疾病间的相互关系还不清楚，目前尚不 能用于嗅性系统疾病的定位、定性诊断。 2 3 2 脑功能成像技术 现已证明，当神经活动时，能引起代谢增加并使局部血流增加。正电子发射 体层成像( p o s i t m ne m i s s i o nt o m o 伊叩h y ，p e l ) 、功能磁共振成像( f i l n c t i o a l m a 驴c t i cr e s o n a n c ei m a g i i l g ，蹦r i ) 技术都是基于大脑局部血氧代谢的成像方 法。它们通过测量大脑活动所伴随的代谢或血流、血氧含量的变化来对大脑活动 进行脑功能定位。 p e t 是一种通过示踪原理，以解剖结构方式显示体内生化和代谢信息的影像 技术1 9 1 。由于p e t 使用正电子核素标记的放射性示踪剂，因此，能最大限度地保 证体内神经活性分子的生理完整性不变，从而很好地模拟体内相应生物活动，而 不会因分子结构的变动引起大的生物差异；p e 研丕具有定量化特点，通过测定脑 区被激活的部位、多少，尤其是其活性强度的变化而测定大脑对不同刺激的应答 情况。p e l 经过几十年的发展后，图像非常清晰，甚至可以显示大鼠脑的结节， 这对于判断大脑不同功能分区，了解外来信息在大脑产生相应的空间关系，以及 不同神经一精神功能单元的变化等方面十分有利。 但p e t 的缺点是空间分辨率不足，难以精确定位，所以要借助c t ( c o m p u t e r t b m o 掣a p h y ) 来弥补p e t 的不足，以达到精确定位的目的。 f m r i 是一种利用m r 设备检测大脑活动时兴奋区的血氧水平变化，从而对脑 功能区进行分工、定位，为研究大脑复杂活动提供证据的技术。m r i 成像的物理 浙讧太学硕士学位论文 学基础是核磁共振现象。它具有无创性和较高的时间、空间分辨力及高敏感度等 优势【1 0 1 。使用不同的功能刺激方式，f m r 珂以用于研究正常大脑相应皮层中枢 的位置，如视觉中枢、运动中枢、嗅觉中枢、听觉及语言中枢的位置。 f m r i 与p e t 相比突出的优点在于它不涉及放射性，使一个受试者可进行重复 的扫描而无任何风险，并可获得较高的空闻分辨率。但是，由于血流增加比神经 活动迟延，f m r i 的时间分辨率明显受到“血液动力学”因素的制约。 2 3 3 嗅觉神经芯片 细胞是人体和其它生物体的基本结构单位。体内所有的生理功能和生化反 应，都是在细胞及其产物( 如细胞间隙中的胶原蛋白和蛋白聚糖) 的物质基础上 进行的。由于药物作用或者是外部加入的刺激而导致离子通道的改变，可通过观 测细胞的电信号的改变来实现对细胞活动的测量。 随着细胞培养技术和半导体微细加工技术的发展，以活细胞作为敏感元件的 细胞传感器和神经芯片，己成为生物传感器研究领域的一大热点。活细胞作为传 感器的敏感元件，对于很多可以引起细胞电化学状态变化的物质，都具有高度敏 感性，而半导体器件的惰性可以提供一种稳定、无损、长时间的监测。 为了测量神经元或集群的电活动，以前常用的微观神经电生理测量技术主要 是基于玻璃微电极( 西a s sm i c r o e l e c t r o d e ) 的测量技术，包括单个玻璃微电极和 多电极同步记录等技术。为了直接记录跨膜电位，可将用于测量动作电位( a p ) 的胞内电极小心插入穿过膜的微吸管，但这种技术存在以下几个缺点【l l 】：( 1 ) 损 伤性。用玻璃微电极测量细胞电活动时需要对细胞进行穿刺，这样不仅会影响细 胞的寿命，限制了观察时间，还可能会改变细胞的电特性甚至胞内代谢过程，影 响精度；( 2 ) 多细胞记录局限性。虽然多电极同步记录能同时记录好多个神经细 胞的活动信号，但经常发生的情况是单个电极往往会记录到多个神经元的活动， 如果电极间距离较小的话，单个神经元的活动也有可能被一个以上的电极同时记 录到，因此无法得到电极与神经元问一一对应的关系：( 3 ) 上面描述的所有典型 方法都是基于在显微镜观察下用微电极进行记录，人为的干扰、以及测量导致的 界面的损伤都限制了记录的长期进行。因此实时无损测量在某种程度上为更真实 的记录细胞活动提供了一种更佳的选择。 浙江大学硕士学位论文 目前已经可以在微电极阵列和多种硅器件表面培养并固定多种神经细胞和 组织，构成神经元与半导体硅基质芯片材料相耦合的神经芯片( n c u f 0 c h i p ) 【1 2 l ， 为神经电生理检测开辟了一条新的途径。嗅觉神经芯片的研究，是在电子鼻和细 胞传感器研究的基础上，试图在芯片的器件表面培养嗅感觉神经元，通过气体分 子同神经元膜表面嗅觉受体结合产生的动作电位的记录，达到气体检测的一种更 具仿生意义的生物电子鼻芯片，属于神经芯片的一种。 神经芯片是利用硅 微加工技术，在硅片上 加工出一组微井，每个 微井中放入一个人工 培养的活体神经元细 胞，微井底部与金属微 电极相连，结构示意图 如图2 4 所示。这样一 来，神经元细胞和金属 微电极之间就实现了 一一对应。神经芯片是 图2 - 4 神经芯片结构示意图 神经细胞和外围电路 之间的桥梁，通过它可以将神经元的静息电位和动作电位等信号传递给外围电路 进行电生理活动的实时无损测量。而且相对膜片钳技术，芯片技术可以同时测量 不同位置的动作电位，实现细胞间的耦合测量，无损、同步地记录多个可兴奋细 胞或组织的动作电位的传播。细胞芯片不仅可以研究神经元的电生理现象，也能 研究细胞间的通讯。研究比较多的主要有场效应管阵列( 肿) 和微电极阵列 ( m e a ) 。f i 汀和m e a 还可以用来记录神经组织切片的活动f 1 3 1 。组织切片的多 点测量也可用于药物或者毒性物质的筛选，研究神经元的整体兴奋性。m e a 制 作过程相对简单，而且具有很高的输入阻抗，不需要对电极再进行特殊处理，因 此得到在本课题中选择使用m e a 。 细胞培养贴附于m e a 芯片的电极表面，神经元细胞可以通过突触连接形成 网络样功能连接回路，其电生理活性和对药物识别的能力可以保持长达1 年之久 浙江太学硬士学位论文 【1 4 】。在光、电或药物等外加刺激后，网络结构的细胞动作电位发生变化，这种 变化通过很薄的一层电解液耦合到器件上，测量细胞下对应电极上电压的变化便 可以测量细胞外微环境电解液的变化，从而实现胞外电信号的测量l 。 f m m h e | z 小组1 1 6 j 还进行了将硅芯片用于大脑( b r a i ns l i c e ) 的研究，因为脑 片只有几个细胞的厚度，具有有序的神经元和纤维排列以及完整的神经解剖通 路，可在解剖显微镜下直接定位，便于电生理操作，而且脑片能够复制出整体动 物大多数电生理现象，可以模拟在体实验，是研究人类学习记忆功能和神经系统 突触可塑性等的良好标本，被国内外实验室广泛采用的实验研究技术。 2 3 4 研究现状 1 嗅觉定位的研究 既往的研究显示，嗅觉激活部位主要位于额叶和颞叶。前者以额叶前下部即 眶额回为著，颞叶、内嗅皮层和扣带回以及边缘系统的某些部位也有明显激活。 功能显像及脑电活动显示右利手的人在处理嗅觉信息方面具有一定程度的右侧 半球优势i 切。有学者发现，嗅觉刺激会引起双侧额下回、梨状叶以及眶额回血 流量的增加。 关于嗅觉定位优势半球说法不一。多项f m r l 研究发现，尽管嗅觉激活区大 体相同且多呈双侧对称分布，但不同气味激活脑区存在或多或少的差异，而且在 不同“利手”的受试者间存在差异( 右利手具有右侧半球优势) 。有人发现两侧大 脑的嗅觉能力不样，多数认为右侧为优势侧，因为观察到在左侧中枢、周边及 后脑切除的患者仍保持嗅觉识别能力，而右侧项、额、颞叶损害的患者出现单侧 气味识别障碍【6 l 。 2 愉快、不愉快气味嗅觉研究 对于不同气味引起刺激差异的研究多从愉快及不愉快气体分类入手，但各家 结论不一。一项p e t 石丹究1 1 8 显示，令人愉快的气味激活部位主要位于梨状叶和右 侧眶额回，不愉快的气味激活部位主要位于杏仁核和左侧眶额回。某些f m r l 研 究未发现两者有区别。k v y 等于2 0 0 2 年报道愉快气体主要引起左侧大脑半球激 活，不愉快气体则相反。多项研究显示不同“快乐度”的气体会引起激活脑区的差 异。以上分歧的出现可能与刺激物的特征、受试者的情感状态及数据分析技术的 晰讧文学硕士学位静文 分辨能力不同有关。 2 4 嗅觉在脑机接口( b c i ) 中的应用 通过嗅觉系统研究方法，我们对嗅觉通路、脑区嗅觉中枢功能区的定位有了 一定的认识，因而可以在嗅觉中枢植入电极以实现“脑机接口”。 “脑机接口”是指一种不依赖于脑的正常输出通路( 即外周神经和肌肉) 的脑 一机( 计算机或其他装置) 通讯系统【1 9 1 。它通过采集和分析入脑生物电信号，在 人脑与计算机或其它电子设备之间建立起直接交流和控制的通道，这样人就可以 通过脑来表达意愿或操纵设备，而不需要语言或肢体动作。 目前，b c i 系统按神经接口方式有两大基本类型侵入式和非侵入式。侵 入式b c i 是一种有损伤的技术，又称为植入式b c i ，采用直接神经接口技术，通 过手术将电极阵列植入颅内，直接记录或刺激大脑神经元，以实现与外界的交流。 非侵入式b c i 是一种无损伤的技术，它采用头皮电极记录大脑活动产生的髓g 信 号，以实现与外界的交流【删。 b c i 技术在军事领域有着很大的应用前景。新科学家杂志称1 2 1 】，美国国 防部高级研究计划局( d a r p a ) 目前正在资助一项神经移植技术研究，希望这 项研究在不远的将来能够把鲨鱼培养成“秘密特工”。这项研究的基本原理是：通 过在动物大脑内植入微型电极，感应动物的行为反应，以此控制动物的行动。由 波士顿大学杰勒艾特玛教授领导的研究小组已经将电极成功植入一条白斑角鲨 的大脑嗅区。首先，白斑角鲨身上的天线接收到无线电发射装置发出的信号，然 后，植入的电极通过信号刺激其大脑左右半球的嗅觉敏感区，对白斑角鲨发出指 令，从而操纵它在水箱中的游动方向。当嗅觉中心的右侧产生刺激，鱼就向右游： 左边产生刺激，鱼就向左游。信号越强，它转身的幅度越大。 2 5 本章参考文献 陈守良动物生理学高等教育出版社，1 9 8 5 年出版，2 7 9 - 2 8 0 【4 陈淑风嗅觉生理简介生物学通报，1 9 9 0 ，4 ：1 8 - 2 l 科纪荣明，周晓平，许家军等嗅神经、嗅球和嗅束的应用解剖解剖学杂志，2 0 0 1 。2 4 1 6 浙江土学硬士学位论文 1 7 9 - 1 8 l 1 4 】m o r i k n a g a d h ，y o s h i h 啪y n e 0 1 雠t 0 i y b u l b ：c o d 啦粕dp f o c e 辎吨o f o d o rm o l e 址 i n f o r m a d s c j e ，1 9 9 9 ，2 8 6 ：7 1 1 - 7 1 5 嘲b u r l 碥r e 中枢神经系统电生理学；神经生理学手册上海科学技术出版社，1 9 8 6 年出版， 6 3 - 8 8 【6 】陈兴明，徐春晓，倪道风人嗅性诱发电位中华耳鼻咽喉科杂志，2 0 0 0 ，3 5 ：7 0 - 7 2 n 王建礼。邰发道，安书成哺乳动物主要嗅觉系统和犁鼻系统信息识别的编码模式兽类 学报，2 0 0 4 ，2 4 ：3 3 9 - 3 4 5 口1 王昌龙，黄惟一人工嗅觉系统设计初步工业仪表与自动化装置，2 0 0 3 ，5 ：6 2 6 4 f 9 】贾静，刘洪臣p e t 与脑功能及口腔功能研究中华老年口腔医学杂志，2 0 0 5 ，3 ：“4 6 u 0 1 张清，苗延巍，伍建林嗅觉的脑功能磁共振成像国外医学临床放射学分册，2 0 0 5 ，2 8 ： 6 5 - 6 7 【“】颜红梅，尧德中神经芯片：从神经元到脑研究的新技术国外医学生物医学工程 分册，2 0 0 5 ，2 8 ：2 0 4 2 0 8 【1 2 】m a h e fm p ，p i n ej w 啦由tj ，e ta 1 t h en 叫r o c h i p ：an e wm u l c i e l e c 们d cd e v i c ef o r s t i m u l a t i n ga n dr 烈：d r d i n g 台o mc u l t u r 。dn e u r o 璐j o 啪a 1o fn c 叫o s c j e n c em e t h o d s ，1 9 9 9 ， 8 7 ：4 5 - 5 6 b e i 伊n ￥ep a p a n j k o l a o ut ，s c h u k e r e ta 1 h n g - t e 咖s t i m u l a i j o no fm o u s eh i p p o c a m p a l s l i c ec u l t u r co m i a o e l e c 咖d e a r r a y - b r a i nr e s e a r c hp r o t o c o l s ，2 0 0 3 ，1 1 ：1 2 3 - 1 3 3 【1 4 】g r 0 豁g w ，r h o a d e sb kt h eu s eo fn e u f 0 ：a ln e 押o r k s 叩m u l t i e l e c d ea m y s 觞 b i o s e n s o 娼b j o s e n s o r sa n db j o e i e c n j c s ，1 9 9 5 ，加：5 5 3 5 6 7 f 蚓s e r v i c er f n e u m sa n ds i l i c o ng e “n t i m a t e s c i e n c e ，1 9 9 9 ，2 8 4 ：5 7 8 - 5 7 9 1 6 】h u t z