生物嗅觉系统具有敏锐的气味感知能力,被认为是最高效的感测系统之一。随着社会文明的推进,气体检测技术用于提高人类生存质量,保障人类健康,已被广泛应用于食品安全、缉毒防爆、疾病诊断、环境监测等领域。基于仿生电子鼻和离体生物电子鼻的研究经验,本文提出一种新型的在体生物电子鼻系统:以哺乳动物的嗅上皮作为初级气味感受器,气味信息在嗅觉系统中修饰处理后,利用多通道微电极阵列提取嗅觉系统中多个神经元信号,通过多维度模式识别算法,对神经信号进行解码,提取出气味相关信息,从而实现气味检测。本文首先从使用寿命、重复性、特异性、灵敏度等方面对其气味检测性能进行分析;同时,通过提取分析嗅皮层响应信号和记录特定荧光标记的嗅小球区域响应信号两种方法,探索了进一步提高生物电子鼻检测特异性的方法;同时,本文讨论了生物电子鼻系统在食品新鲜度检测、爆炸物TNT检测领域的应用潜力。此外,从基础研究角度,本文研究了清醒状态和睡眠状态下动物的嗅觉感知差异形成机理,即嗅觉门控机理。结合光遗传学、动物行为学、在体电生理记录等方法,分析比较了不同状态下嗅觉系统的LFP和峰电位响应信号,研究结果显示嗅觉门控现象的产生依赖于脑区间神经元活动的同步性,即局部嗅觉区域和跨脑区间神经元的同步发放引起嗅觉感知,而非神经元的绝对活动强度。本文主要的创新性研究工作为:1.深入研究了在体生物电子鼻对痕量气味的检测性能和识别能力使用多通道植入式微电极提取清醒大鼠嗅球并分析神经元对气味刺激的响应,实现了在体生物电子鼻对单分子气味和混合气味的高灵敏度检测。实验结果表明由于保证了神经元的在体环境和嗅觉系统完整性,相比于离体生物电子鼻,该电子鼻使用寿命可达3周;采用PCA方法对大鼠僧帽/丛状细胞群的响应信号进行分类,不仅可以有效实现不同官能团单分子气体的区分,也可以区分相似气味的单分子和混合(自然)气体。研究进一步分析了该电子鼻对不同新鲜度的食品挥发物气体的响应方式,结果表明不同存储时间的食品气味诱发不同的峰电位响应活动;此外,该电子鼻对食品中常见气味香芹酮的最低检测浓度可达到10-10M。研究验证了该电子鼻检测单分子和混合气味的可行性,也初步证明了其在痕量气味、食品检测等领域的应用前景。2.提出了基于大鼠侧嗅束响应记录的生物电子鼻,提高了气味检测的性能嗅球中的僧帽/丛状细胞对气味信息整合编码后,其轴突整合成侧嗅束将信息传递到嗅觉皮层,因此,相比于局部嗅球的僧帽/丛状细胞,侧嗅束中携带了更完整的气味信息。为了进一步提高在体生物电子鼻气味检测特异性,我们将多通道电极植入区域从嗅球转向侧嗅束。由于刺激诱发的僧帽/丛状细胞活动经过颗粒细胞等中间神经元的侧抑制作用修饰后,其输出活动携带了完整的气味信息,研究结果表明从侧嗅束记录到的神经元峰电位自发频率低,而气味诱发的发放频率高,使得气味响应信噪比增加,提高气味响应灵敏度。因此,通过检测大鼠侧嗅束响应信号,提高了在体生物电子鼻的气味检测特异性。3.提出了基于转基因小鼠的生物电子鼻,实现了爆炸物TNT的定量检测使用在特定嗅感觉神经元表达绿色荧光蛋白的M72-IRES-tauGFP转基因小鼠,通过光学成像方法对M72嗅小球精确定位,将MEA探针植入到M72嗅小球区域,在不同动物之间实现特定嗅小球的响应记录,结果显示M72嗅小球对含有苯环的物质具有高敏感度,检测特异性高,进一步使用TNT刺激,发现其对TNT的响应也具有高敏感度,同时,其对TNT的检测下限小于10-6M。因此,该电子鼻不仅能实现苯环物质的特异性检测,在爆炸物TNT检测领域也具有应用价值。4.探索研究了哺乳动物在清醒和睡眠状态下的气味感知能力差异的机理以M72-ChR2-YFP和OMP-ChR2-GFP转基因小鼠为研究模型,使用蓝光激活嗅感觉神经元,同时记录多个嗅觉区域在清醒和睡眠状态下的LFP和峰电位响应信号。实验结果表明在睡眠状态下,嗅觉系统的LFP响应幅值和峰电位响应频率均不小于清醒状态,证明了嗅觉感知形成不依赖于神经群活动强度和单个神经元发放频率;进一步研究发现,在清醒状态下,刺激嗅感觉神经元使得不同嗅觉区域的Y波(30-80 Hz)能量增加,而睡眠状态下γ波能量不发生变化,由于γ振荡反映了神经元活动的同步性,表明了嗅觉感知形成依赖于神经元间的同步性。研究结果表明,嗅觉门控受到神经元活动同步性影响,清醒状态下响应神经元活动同步性高于睡眠状态。