动物的嗅觉系统是一个及其巧妙的化学感受器,它通过嗅上皮与气味分子的结合,将外界的气味刺激通过嗅球传递到大脑嗅觉皮层,这种响应和传递过程具有较高的灵敏度和特异性。对于在体气味分子的检测目前主要是膜片钳技术和光学成像技术。膜片钳技术对操作技术要求较高,而且对记录大量神经元群体信号有一定的局限性,光学成像技术精确度相对较低,而且背景噪音较大。本实验室首次提出了在体嗅觉生物电子鼻系统,主要是基于大鼠自身的嗅觉系统对气味分子的分析与识别功能,使用多通道电极可以同时记录到多个嗅觉系统相关神经元对气味分子的响应信号,通过多种算法实现对神经信号的解码与识别。离体仿生嗅觉与味觉传感器主要是由作为敏感元件的生物活性材料以及作为二级换能器的物理化学探测器组成,第一部分主要以嗅觉/味觉感受细胞,组织以及细胞膜上具有特异性识别功能的受体蛋白为主,主要特异性的识别目标分子,第二部分是作为二级换能器的物理化学探测器,能把目标检测物与敏感元件产生的响应转换为易于处理和分析的物理化学信号。因此此种类型的传感器就具有了生物自身感觉系统所具备的灵敏度高、检测限低、选择性好等优点。本课题的主要目标就是利用基因工程技术来提高仿生嗅觉味觉传感器的特异性和功能集成性。本论文的主要研究内容以及创新性工作如下:1,本文主要研究离体仿生嗅觉与味觉以及在体及生物电子鼻与电子舌两方面内容。分析了嗅觉与味觉系统的结构,细胞的分化以嗅觉与味觉信息的传递通路。在此基础上提出了在体嗅觉生物电子鼻系统的初步设计方案,分析了长时程连续及短时程间断气体刺激二种模式情况嗅觉的响应信号,发现了短时程多次给气以及长时程两种给气方式的不同对于在体植入生物电子鼻实现高灵敏度响应有重要的影响,为后续实验的操作提供理论依据。2.本文详细分析了嗅球内部僧帽细胞与不同神经元之间存在的两种突触连接方式以及僧帽细胞的兴奋性与抑制性两种响应模式。表明僧帽细胞与具有特异性嗅觉受体的嗅感觉神经元的连接,因此对气味分子的响应具有一定的特异性,通过本文的设计的在体生物电子鼻实验分析,证实了记录到嗅觉僧帽细胞的锋电位信号的发放频率增加和降低两种响应模式,对不同的气味分子的响应都有一定的特异性。3,本文设计了一种基于转基因小鼠和脑机接口技术的在体嗅觉生物电子鼻系统,可以克服在体植入定位不准确的缺点,利用转基因小鼠的荧光表达实现了在体生物电子鼻的定点植入,可以提高气味检测的特异性和重复性。通过采用集成微电极阵列实时记录清醒转基因小鼠(M72-IRES-tauGFP)的嗅感觉神经元对不同气味的胞外电位的信号记录,实验结果表明转基因小鼠在检测和识别特定的爆炸物气味方面具有较高的特异性和重复性。4,本文首次提出了在人神经母细胞瘤细胞株(SH-SY5Y)转染嗅觉受体的的方法,设计了同时具有嗅觉与味觉受体的细胞传感器,实现了气味与苦味的同时检测。利用基因工程技术使细胞同时具有气味和苦味受体,设计了微电极阵列传感器和细胞阻抗传感器,分别检测了气味与苦味对G蛋白偶联受体激活引起的细胞电信号和形态阻抗变化。同时,该细胞传感器也具有对高浓度物质对细胞毒性作用的检测功能,在此基础上,进一步可发展出新型的具有检测气味、苦味和毒性物质的多功能细胞传感器。