味觉作为哺乳动物感受外界环境中化学物质的基础,为生存、觅食、繁殖等活动提供了重要的保障。经过长期的进化,味觉感受系统能够快速、灵敏、特异地识别和检测复杂的液体环境中大量不同的物质,是迄今为止性能最佳的化学检测系统之一。受哺乳味觉感受系统的结构和信息编码方式的启发,研究者们提出了电子舌的概念。目前国际上的电子舌系统通常采用离子选择电极等电化学传感器或味觉仿生材料作为敏感元件,在检测的灵敏度和特异性上存在问题。与电子舌相比,生物味觉感受系统具有与生俱来的优势,其核心功能部件如感受细胞、受体等,适合作为电子舌中的敏感元件,以实现高特异性和灵敏度的检测与识别。本文提出了一种新型在体生物电子舌系统:以哺乳动物味蕾中的味觉细胞作为初级感受器,味觉信息经传入神经及孤束核等脑区的整合处理后,在味觉皮层中汇集,该区域的神经元因此具有交叉敏感的味觉响应特性。微电极阵列实时记录味觉刺激前后相关神经元的胞外电位信号,通过降维、模式识别等技术建立味觉种类的分类模型和味觉强度的定量检测模型。同时,本文验证了在体生物电子舌系统对苦味和甜味物质的检测性能,包括特异性、灵敏度、长时稳定性等。另外,本文还提出了一种基于永生细胞系的生物电子舌,并将应用于受体特异性的苦味物质筛选中。本文主要的创新性研究工作为:1.首次提出了在体生物电子舌概念,并实现了苦味物质的高灵敏度检测受在体生物电子鼻概念的启发,本研究在国际上首次提出了在体生物电子舌的概念,其核心为建立味觉皮层神经元胞外电位的活动模式与味觉刺激的映射关系,完成味觉种类和强度的检测。实验结果表明,基于清醒大鼠的在体生物电子舌局部场电位输出具有苦味特异性,且β振荡和γ振荡的功率谱密度(power spectral density,PSD)特征均与苦味刺激的浓度相关。γ振荡PSD对苦味刺激浓度变化更为敏感,苦味物质苯甲地那铵的检出限可达0.076μM。由于保证了味觉细胞和相关神经元的在体环境,在体生物电子舌与基于离体生物电子舌相比具有更长的使用寿命,稳定的输出信号平均可维持22天;与行为学实验结果的对比也表明,基于清醒大鼠的在体生物电子舌的定量检测模型具有较高的可信度,验证了其用于苦味物质识别与检测的可行性。2.提出了基于麻醉大鼠的在体生物电子舌,完成了苦味物质快速准确识别为了减少动作噪声等对检测的不利影响,我们提出了基于麻醉大鼠的在体生物电子舌以提高实验记录的成功率;同时,研究了在体生物电子舌的锋电位信号携带的味觉信息。实验结果表明,该在体生物电子舌的锋电位和局部场电位都可以对苦味刺激产生快速的响应,平均响应延迟约为0.2 s,平均响应时长小于4 s。在使用支持向量机算法建立的模型中,锋电位和局部场电位信号的特征融合显著提高了苦味响应识别的准确度,苦味与非苦味物质的二元分类准确度达到88.15%。同时,本研究分别建立了基于锋电位发放频率和局部场电位PSD的苦味定量检测模型,虽与清醒大鼠的在体生物电子舌相比损失了部分灵敏度,但使用寿命得以延长,稳定的信号输出平均可维持30天。3.首次将在体生物电子舌用于甜味物质的识别和检测,并针对实际样品的检测与人类味觉感官进行了对比基于清醒大鼠的在体生物电子舌利用局部场电位的味觉特异性响应包络和随机梯度下降算法,完成了四种不同类型味觉物质分类;更进一步,本研究利用哺乳动物味觉编码的动态性,构建了区分天然糖和人工糖的分类模型。同时,建立了基于局部场电位PSD的甜味物质定量检测模型,并得到了行为学结果的验证。另外,本研究首次针对实际样品,对比了在体生物电子舌的响应强度与人类味觉感官测试的结果,分析了在体生物电子舌用于提高品味员工作效率的可行性。4.研制了一种基于受体细胞的新型离体生物电子舌,实现了苦味物质的受体特异性识别,并探索了其用于药物苦味检测的可行性Caco-2细胞内源性表达有人类苦味受体T2R38,与异源表达系统相比,具有天然完整的信号通路和更理想的贴壁能力,适合作为细胞阻抗传感器的敏感元件。实验结果表明,该离体生物电子舌可以对苦味物质苯硫脲和丙基硫氧嘧啶的定量检测,检测结果可以模拟人类的苦味感受,且该系统具有受体特异性,可以用于异硫氰酸酯类药物的苦味识别。另外,对比了该系统与基于精细胞的离体生物电子舌、在体生物电子舌检测中药苦味的结果。