气体检测在食品安全、环境监测、缉毒搜爆和疾病诊断等领域均有不可替代的重要作用。传统人工电子鼻在一定程度上可以满足使用,然而其性能在诸多方面远逊于生物的嗅觉系统,如检测范围、灵敏性、特异性等。基于植入式电极和脑机接口技术,在体生物电子鼻由于利用了完整的哺乳动物嗅觉系统,因此具有极大的潜能媲美甚至超越生物嗅觉系统。然而其目前的实用性较低,一方面是因为植入式电极记录到的神经元具有随机性,无法确保对指定气体具有响应,且配套仪器多,难以摆脱实验室环境,另一方面,生物化学感受机理不完全明确,单纯地把在体生物电子鼻当成“黑箱”必然具有局限性。为了解决上述问题,在本课题组对在体生物电子鼻多年研究的基础上,本文利用锰离子增强磁共振成像确定气味响应区域,利用基因工程技术使嗅感觉神经元表达特定受体,极大提高了记录到响应神经元的概率。本文还提出了大鼠嗅觉机器人的概念,研制了一套大鼠无线穿戴式系统,支持电生理信号记录与运动控制,极大提高了在体生物电子鼻的实用性。另外,本文还初步研究了麻醉对嗅球中神经元活动及锋电位发放时程的影响以及嗅觉损伤对大鼠苦味感受的影响,这些研究有助于对生物嗅觉与味觉的机理的认识。本文主要的创新性研究工作包括:1.提出了利用锰离子增强磁共振成像技术绘制嗅觉图谱的方法,为在体生物电子鼻电极植入位置提供了定位指导。在体生物电子鼻植入式电极在嗅球中的植入位置主要依靠研究人员的经验,无法确保记录到多个对指定气体响应的神经元。本文基于3T和7T磁共振扫描仪并利用锰离子增强成像技术研究了嗅觉感受神经元到嗅球的传导通路,通过磁共振图像标记了嗅球中对特定气体敏感的区域,在该嗅球区域植入微丝阵列电极,实现了对特定气体响应神经元的记录,并实现了一个新型的高特异性、低检测下限的气体检测系统。2.研究了基于转基因技术的新型在体生物电子鼻,进一步提高了记录到对指定气味响应的神经元信号的成功率。由于通过锰离子增强磁共振辅助电生理定位无法精确到某个神经元或嗅小球。因此,本文进一步构建了一种DNA内携带线虫ODR-10嗅觉受体基因的腺病毒,将其转染在大鼠嗅粘膜上,使尽可能多的嗅感觉神经元对该受体的配体丁二酮有响应,嗅觉感受神经元的响应信号进一步传导到嗅球神经元。实验结果表明,转染该受体后,电极记录到的神经元对丁二酮响应的比例大幅提高,而对其他气味的响应比例很低。因此,基于转基因技术的在体生物电子鼻可以大幅提高对指定气体检测的成功率。3.提出了结合穿戴式神经记录和微电刺激的大鼠嗅觉机器人的设计方法,提高了在体生物电子鼻应用的可能性。为使在体生物电子鼻摆脱线缆束缚并应用于实验室以外的环境中,研制了一套基于Wi-Fi技术的大鼠穿戴式神经记录和微电刺激系统,其具有8通道记录和8通道输出,体积小、重量轻,内置锂电池可支持约4小时电生理记录或数天的脑电刺激。实验结果表明该系统可支持长时间高质量的信号记录。此外,通过对大鼠训练及在内侧前脑束、桶状胡须区、背外侧导水管周围灰质进行微电刺激,实现了大鼠前进、停止和转向,并发现刺激脉冲宽度和幅值都会影响控制大鼠前进的速度,系统寿命可长达一个月。此系统使在体生物电子鼻可用性进一步增加。4.研究了戊巴比妥麻醉对嗅球中神经元自发活动的影响,解释了动物嗅觉感受的状态门控现象。尽管目前还没有不同作用机制麻醉剂对嗅觉系统神经活动影响的系统研究,但几乎所有研究都表明麻醉会影响嗅觉系统神经活动。我们主要研究了戊巴比妥麻醉对嗅球中神经活动的影响。实验结果表明,在清醒状态下,锥体神经元和中间神经元均会与呼吸锁相节律耦合,两者与呼吸锁相节律的耦合相位略有不同,表明了两者在嗅觉通路中的相对位置;麻醉状态下,中间神经元的耦合几乎完全消失,锥体神经元的耦合也被显著削弱。基于这一结果以及嗅觉感受的状态门控现象,我们猜测嗅球中锋电位与呼吸锁相节律的耦合对于嗅觉通路中嗅觉信息的传导具有重要作用,并且可能是嗅觉感受存在状态门控的原因之一。此外,我们还发现戊巴比妥麻醉会延长嗅球中神经元锋电位的时程,并通过麻醉剂对GABAA受体和离子通道的作用简要解释了其机制。5.构建了嗅觉损伤模型,通过行为学和电生理实验初步探索了嗅觉损伤对大鼠苦味感受的影响机制。嗅觉和味觉是动物最重要的两种化学感受系统,其损伤与阿兹海默症和帕金森症有关。但目前缺乏嗅觉损伤对味觉功能影响的研究。本文通过在大鼠鼻腔中灌注硫酸锌溶液构建了嗅觉损伤模型;通过行为学实验发现嗅觉损伤降低了大鼠对苦味的敏感程度;通过在大鼠两侧嗅球和味觉皮层同步记录电生理信号,发现单侧嗅觉损伤会不同程度地影响各脑区中的呼吸锁相节律、γ震荡及两者间的耦合;另外,单侧嗅觉损伤会不同程度地降低两侧味觉皮层的β波PSD响应。