觉传导机理及仿生嗅觉传感器的研究进展

嗅觉对所有动物而言都是一种极其重要的生理感觉. 近年来, 人们对嗅觉传导机理的研究取得了很大进展, 尤其是嗅觉受体基因超家族的突破性发现推动了国际上嗅觉研究的快速发展. 随着嗅觉传导机理研究的不断深入, 加上仿生嗅觉传感器具有潜在的商业价值和工业应用前景, 对仿生嗅觉传感器的研究也取得了很大进展. 同时, 该研究对于嗅觉传导机理的研究也具有重要的促进作用. 本文综合评述了近年来国际上嗅觉传导机理和仿生嗅觉传感器研究的最新进展. 从嗅觉信号传导的神经通路、嗅神经元对气味分子信号的转导机制、嗅球对嗅觉信号的编码和处理、嗅皮层对嗅觉信号的感知以及仿生嗅觉传感器进行了综述. 最后也介绍了我们在仿生嗅觉传感器方面的研究进展.     

仿生嗅觉感知技术及其在嗅觉障碍疾病筛查中的研究进展

嗅觉障碍是多种疾病的早期症状,如新型冠状病毒感染的症状之一是嗅觉丧失,阿尔茨海默病和帕金森病患者通常伴有嗅觉降低或丧失.研究基于嗅觉功能检测的早期疾病筛查和诊断技术对控制患者病情、改善人类健康具有重要意义.目前嗅觉功能障碍的检测与评价方法尚不能有效地筛查和诊断各类嗅觉障碍相关疾病,而仿生嗅觉感知技术在模拟人类嗅觉感知系统方面具备一定的灵敏度、选择性和准确度,因此在嗅觉障碍相关疾病筛查中具有广阔的应用前景.本文介绍了目前国内外嗅觉功能障碍相关疾病的研究现状,分析了仿生嗅觉感知技术的原理及其在嗅觉障碍与疾病相关性检测与诊断中的研究进展.随着生物医学工程领域多学科交叉融合的发展,细胞网络芯片、类器官仿生芯片以及脑机交互技术的转化应用将促进仿生嗅觉感知技术在嗅觉障碍相关疾病研究中的发展以及临床疾病诊断技术的革新.     

Wolbachia感染显著提高果蝇的嗅觉反应

以拟果蝇Drosophila simulans为研究对象, 采用嗅觉陷阱并结合T-迷宫法测定了Wolbachia感染对果蝇嗅觉反应的影响. 同时, 采用定量PCR方法, 研究了果蝇嗅觉反应能力与其体内Wolbachia的密度和4个嗅觉相关基因表达的关系. 结果表明, Wolbachia感染能够显著提高果蝇的嗅觉反应能力, 表现为寻找食物的时间缩短, 被陷阱捕获的百分比增大, 对气味更加敏感. 随着嗅觉反应时间的延长, 果蝇体内的Wolbachia密度呈减少的趋势. 15日龄果蝇体内的i密度, 在不同嗅觉反应时间的果蝇体内存在显著差异, 果蝇体内Wolbachia的密度越高, 嗅觉反应能力越强. 嗅觉反应能力强的果蝇, 其体内嗅觉受体基因or83b的表达量显著高于嗅觉反应能力差的果蝇. 结果表明, Wolbachia可能通过调节宿主嗅觉相关基因的表达, 从而提高宿主的嗅觉反应能力.     

基于嗅觉模型的电子鼻仿生信息处理技术研究进展

受生物嗅觉原理的启发, 将现代传感技术、电子技术和模式识别技术等紧密结合研制成的新颖仿生检测仪器——电子鼻已经在许多领域引起了广泛重视. 生物嗅觉基础研究的成果与计算神经科学交融, 又进一步丰富了人工嗅觉理论, 促进了电子鼻的发展. 文中综述和比较了生物嗅觉与人工嗅觉的信息处理原理, 概述了几种嗅觉模型在电子鼻仿生信息处理中的应用现状, 并结合作者的研究工作, 着重介绍了一种混沌嗅觉神经网络及其学习规则和时空动力学特性应用于电子鼻的研究进展和前景展望. 将生物嗅觉的各种现象、机理融入到电子鼻信息处理技术中, 不仅增强了电子鼻的仿生概念, 而且在气味识别中能更接近生物嗅觉的优良性能, 但是也面临许多问题有待技术界和理论界协力解决.     

结合光遗传神经调控技术的仿生嗅觉传感系统的研究进展

嗅觉系统是一个极其巧妙的化学感受器,嗅感觉神经元对外界的气味刺激产生响应,然后将此信号传递到嗅球进行信号的整合和处理,最终传递到嗅皮层,嗅皮层作为嗅感觉系统的最高级皮层识别出气味信息,这种响应和传递过程具有高度的灵敏性、特异性和快速性.光遗传学是近年来国际上一个新的发展方向,通过光控制神经细胞可诱发细胞按照某一特定频率发放.仿生嗅觉传感器是一种新型化学传感仿生技术,它以嗅觉受体、细胞、组织等生物材料为敏感元件,结合二级变换器实现对气味物质的特异性和高灵敏的检测,从而达到类似生物体嗅觉的检测性能,将其与光遗传技术结合,可以更深入研究仿生嗅觉系统传递的机制.本文概述了近年来国际上光遗传技术在嗅觉机制研究中的研究进展,并结合光遗传在仿生嗅觉传感技术的研究和我们的研究工作,展望了未来该领域可能的发展前景.     

气味与空间感觉

美国著名心理学家希尔斯博士最近研究了气味对人感知空间大小的影响。他在实验室内设计了许多封闭的小间,请一些嗅觉正常的志愿受试者分别独坐在里面,让他们轮流闻烤肉、香水、爆米花、苹果等几十种气味,每种气味的间隔时间均为2分钟。实验结果是:大多数受试者说闻到烤肉味时觉得房间似乎变小了,而闻到苹果味后则感到房间变大了。其它气味无明显的感觉。此项研究引起各界人士的浓厚兴趣,认为这个研究结果具有很     

数字

<正>50%长久以来,人们通过各种嗅觉测试表明,女性在嗅觉方面比男性更加敏锐。近期,针对这一现象,科学家给出了这样的解答——女性大脑中的嗅觉细胞要比男性的平均多50%。据从事此项研究的巴西神经科学专家罗伯特·兰特称,他们借助一种叫各向同性分馏塔的高科技探测仪,来探测第一时间接收嗅觉信息的大脑中嗅觉细胞的数量,最终发现,女性大脑中嗅觉细胞的数量要远远多于男性的,而正是这些多出的细     

人类的嗅觉还剩多少？

我们时常看到警察带着警犬在机场里巡视。警犬能用它那敏锐的鼻子找寻出隐藏着的毒品或炸药,与此相比人类只能自愧不如了。这说明了人类的嗅觉功能正面临着巨大的衰退。也许你会说,狗天生是靠嗅觉生存的。但是,科学家的最新研究表明:即使是与人类同属的其他灵长类动物的嗅觉也比人类的灵敏。与猴子或类人猿相比,人类丧失嗅神经     

不可思议的嗅觉

正嗅球是大脑前部的结构,通常被认为对嗅觉起着至关重要的作用。但现在研究人员发现了一些例外的情况——少数具有全部正常嗅觉的妇女却似乎缺少嗅球。每1万人中就有1人缺乏嗅球。之前以为,没有嗅球就意味着没有嗅觉。研究人员偶然遇到了一名与众不同的29岁女性:尽管她没有嗅球,但对她进行的每项测试都表明,她确实具有很好的分辨异味的能力。研究人员扩大了调查范围,结果发现了更多这样的女性,但完全没有这样     

首次揭示嗅觉感受器的隐秘工作机制

正科研人员终于看到某些嗅觉感受器(又称嗅觉受体)是如何与气味分子结合的。这项研究工作使得我们对这些最为神秘和多能的感官有了全新的洞察。触角(譬如图中显示的果蝇触角)上的受器赋予昆虫敏锐的气味嗅探能力,昆虫要生存下去需要有这种能力。嗅觉至今仍然是我们了解得最少的感官,但最新研究已经揭晓了某些昆虫感觉过程的关键部分     

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.     

鼻子灵敏人长寿

最近,美国芝加哥大学的研究人员以1000名中老年人为对象的研究表明,鼻子的灵敏度与寿命相关,嗅觉好的人患病风险更低,更容易进入寿星行列。资料显示,能辨别11种气味的人比只能辨别6种气味的人,死亡风险低36%。结论是：一个上了年纪的人依然有很好的嗅觉,意味着你获得长寿入场券的希望较大。     

味觉传导机理及味觉芯片技术研究进展

在人类的敏感器官方面, 味觉的研究明显落后于视觉、听觉、触觉和嗅觉. 针对酸、甜、苦、咸、鲜等多种不同味觉, 人类及动物的味觉细胞内存在有多种不同的传导感受机制, 但由于缺乏在细胞和分子水平上进行有效的研究手段, 有关味觉的研究仍在探索中. 近年来, 随着分子生物学和电生理研究的不断深入, 味觉细胞的传导编码机制研究取得了很大的进展. 结合我们实验室多年来在人工嗅觉与人工味觉和细胞传感器方面的研究基础, 对近年来国际上有关味觉的传导机理和细胞芯片技术的最新发展进行了综合评述. 在此基础上, 结合我们当前的研究工作, 重点介绍了细胞芯片这一生物学与微电子技术交叉领域研究的最新成果, 对味觉细胞芯片及其应用前景进行了论述, 提出了仿生味觉芯片和味觉细胞芯片的研究方向, 并在细胞和分子水平上对味觉的研究进行了初步探讨.     

鸽子的航行是凭借嗅觉吗?

对家鸽何以具有给人以深刻印象的辨向能力的根源所进行的探究,已经发生了最奇异的变化。过去四年里在西德思威森(Seewiesen)的麦克斯·普兰克(Max Planck)生态学院所进行的工作似乎证实了一个十二年前第一次提出来的让人听起来觉得不大可能的理论——那就是:鸟类凭借嗅觉可以找到它们的归途。没有人能够知道鸟类究竟嗅觉到了什么、以及它们是怎样利用嗅觉来辨识飞行方向的。负责这项研究工作的汉斯·华尔拉夫(HansWallraff)所能断言的也仅仅是:失去嗅觉的鸽子     

嗅觉新探

人类的嗅觉器官是一个进化的杰作,许多物质的气味它都能辨别,尽管人们对它从事研究,但对于嗅觉的认识仍还是一个谜,如邮票大小的一块嗅觉组织是怎样将化学刺激信号传入大脑的呢?当气味中的分子进入嗅觉细胞膜上的纤毛,该组织的感受器上有一种特殊蛋白质.近来研究认为每种气味都可结合和刺激细胞,包括分辨不同气味种类的感受器.     

你问我答

问：闻花香时为什么事先要深吸一口气？ 答：鼻子的几何形状非常复杂，它不仅拥有像飞机机翼那样的直线与曲线，还拥有其他一些线条，而且空气在鼻腔内的流动也远不止一种方式。嗅觉与到达鼻腔深处嗅觉神经的气体有关，因此在嗅闻花香时就要深深吸一口气，造成压差使其足以到达嗅觉神经的位置。     

嗅觉不好可能更长寿

嗅觉对生命体的意义可谓举足轻重。据研究，人们享受各种食物的味道时，至少有80％来自于嗅觉，仅有20％来自味觉。最近科学家通过对果蝇的实验发现，味觉和嗅觉神经细胞可能影响着果蝇成熟的进程和寿命的期限。对啮齿类和灵长类的大多数动物而言，当摄入的热量被严格控制后，它们的寿命会相对更长。     

一见钟情与嗅觉

男女之闻的确存在一见钟情。这是一种瞬间进发、不由自主的相互吸引，而且并不鲜见。 生物学家就此进行了深入探索，得到的答案非常有趣：爱情居然与人的嗅觉有着密切关系。     

英研究出新型“电子鼻”

英国阿罗马斯肯公司最近研制出一种称作"电子鼻"的芳香扫描仪,适用于食品、饮料和香水等的检验。这种"电子鼻"能够以数字形式测量和记录气味。它的嗅觉能力与人类大致相等,今后在经过进一步的完善以后,其嗅觉能力可与狗的嗅觉能力相当,因而可以用来检查毒品和机场行李中的爆炸物。     

美科学家研制人造狗鼻

在美国海军研究中心的资助下．宾夕法尼亚州立大学应用实验室高级研究员、机械工程系副教授埃里克·帕特森研究了嗅探警犬辨认危险化学品的机理，以及流体力学的基本原理与狗嗅觉中的气味传送问题。在此基础上，帕特森提出将研制一个具有同样效果的机械物体。