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气味的电子测量

如今，气味可以通过多种电子方式测量，例如：质谱法、气相色谱法、拉曼光谱法，以及最近的电子鼻。一般来说，它们假设不同的嗅觉受体对特定的分子物理化学性质具有不同的亲和力，并且这些受体的不同激活会产生反映气味的时空活动模式。

电子鼻

俄罗斯联邦航天局的飞行工程师亚历山大·米苏尔金在国际空间站上使用喷气推进实验室电子鼻 (ENose) 实验。

电子鼻是一种基于化学传感器阵列和模式识别的气味人工感知装置。它们用于识别和量化溶解在空气（或其他载体物质）中的物质。电子鼻由采样装置（类似于鼻子）、传感器阵列（类似于嗅觉受体神经元）和计算单元（类似于大脑）组成。

传感器阵列

与动物的鼻子一样，使用非特异性传感器。这不仅是因为很难找到非常特异性的传感器，而且还因为人们希望在没有针对每种化合物的传感器的情况下覆盖大量的可能化合物。此外，如果处理基于多个传感器的信息，则更稳健、更精确和更高效。当这些传感器与化合物接触时，它们的电气特性会发生变化（例如，电阻增加）。这种改变会导致电压变化，该变化被数字化（AD 转换器）。

最常用的传感器类型包括金属氧化物半导体 (MOS)、石英晶体微天平 (QCM)、导电聚合物 (CP) 和表面声波 (SAW) 传感器。另一种很有前途的技术是使用蛋白质作为传感器的生物电子鼻。也可以结合使用不同类型的传感器来获得更精确的结果，并将多种传感器类型的优点结合起来，例如，更好的时间响应性与更好的灵敏度。

示例：导电聚合物传感器的运作原理

导电聚合物传感器由大约 2-40 种不同的导电聚合物（有机分子的长链）阵列组成。一些气味分子渗透到聚合物薄膜中，导致薄膜膨胀，从而增加其电阻。许多类型聚合物的这种电阻增加可以用渗流理论来解释。 由于材料的化学性质，不同的聚合物对相同的气味会有不同的反应。

计算

传感器信号必须与模式识别算法匹配到气味混合物。可以使用多元统计方法创建一个潜在组合的数据库，并在呈现气味时找到最佳匹配，或者可以训练神经网络来识别模式。通常也使用主成分分析来降低传感器数据的维数。

应用

电子鼻有很多应用。它们被用于航空航天和其他行业来检测和监测危险或有害物质，以及用于质量控制。在安全领域，可能的应用是检测毒品或爆炸物。电子鼻可能有一天能够取代警犬。一个非常强大的应用可能是诊断改变呼吸化学成分或排泄物或血液气味的疾病，从而有可能取代侵入性诊断技术。它也可以用来诊断癌症，因为某些癌细胞可以通过其挥发性有机化合物谱来识别。通过气味诊断癌症已经被发现对狗、苍蝇有效， 但具有高灵敏度和特异性的实用方法仍在开发中。另一个医学应用是通过基于电子鼻的嗅觉植入物治疗嗅觉缺失症（无法感知气味）。这也还在开发中。相反，电子鼻已经用于环境监测和保护。在机器人技术中，电子鼻可以用来追踪空气中的气味或地面的气味。特别是对于机器人技术来说，更好地理解昆虫的嗅觉系统将非常有趣，因为为了利用气味进行导航或定位气味源，必须使用经常被忽略的时间刺激信息。

昆虫可以追踪气味，因为它们可以对大约 150 毫秒内的变化做出反应，并且它们的一些受体能够描绘出至少在 10 赫兹以上的频率发生的快速气味浓度变化。相反，导电聚合物和金属氧化物电子鼻的响应时间范围从几秒到几分钟不等。 仅有少数例外报道在几十毫秒的范围内。

神经元的光刺激

神经元的光刺激是一个新兴的研究领域。通过将聚焦光源照射到神经细胞上，使其去极化，从而实现神经元放电。实现这一目标主要有两种方法：用激光照射神经元，产生局部温度梯度；或将光敏通道或受体导入神经细胞，使其对光敏感，类似于人类视网膜中的视杆细胞和视锥细胞。与传统使用的电刺激相比，它的优势在于精度更高，组织损伤更少或没有损伤。

电刺激与光刺激

与光刺激相比，电刺激具有固有的局限性。为了引发可靠的放电，电极必须与目标组织物理接触或紧密接近。将电极导入神经组织会损伤它和周围组织。

在许多情况下，电极阵列被导入到导电组织中，允许电流扩散，进一步降低了可以达到的空间分辨率。

诱发的脑神经活动的测量通常会被比测量的脑神经活动大得多的刺激伪影污染。在接近激发部位的测量中尤其如此。

相反，光刺激可以可靠地实现单个细胞或少量细胞群的激发。它不需要与目标组织直接接触，从而减少组织损伤。最后，接近神经响应的电记录不会被激发刺激污染。 尽管电刺激存在上述缺点，但它仍然是目前最成熟、最可靠的神经刺激方法。

红外刺激

红外刺激基于红外激光在神经元内产生局部温度梯度。它不需要在刺激之前对细胞进行任何修改。低能激光不会对组织造成损伤，并能引发无伪影的刺激。导致神经元放电的确切机制尚不清楚。然而，研究表明，这种现象最有可能归因于局部光热过程。因此，红外照射会在一个小的空间内产生一个温度梯度，在照射停止后迅速消失。局部温度升高至 9°C 被认为会导致分子构象发生变化，最终导致神经元放电。在高照射频率下，热量会累积，导致被照射的组织逐渐升温，最终损伤细胞。

视光遗传学

视光遗传学是通过引入外源基因使细胞对光敏感，从而实现对神经元放电模式进行时间和空间上的高分辨率改变。这些基因可以在动物的基因改造中表达，也可以通过病毒等载体导入。如今使用的多数光敏基因最初是在单细胞生物（如藻类或古细菌）中发现的。这些基因可以编码光敏离子通道或受体，产生对光刺激的多种响应。

从左到右的光学神经放电操控技术：ChR：蓝光 (480 nm) 激发通道视紫红质 (ChRs) 导致通道打开，Na⁺ 流入。钠离子流入导致去极化并引发神经元放电。HR：光激活视紫红质被黄光 (570 nm) 激活。开放的通道允许氯离子进入细胞，导致超极化，从而抑制动作电位的形成。Opto-XR：动物视紫红质（浅绿色）是构建体中的光敏部分。细胞内环（深绿色）被交换为目标通路的信号序列。Opto-XR 激发导致信号转导发生改变，从而影响细胞的反应和代谢。红外照射：用红外激光脉冲照射细胞会在局部产生热梯度，并引发神经元放电。

对于神经元激活，通常使用天然通道视紫红质 (ChR) 或其经过工程改造的基因变体。ChRs 是光敏非特异性阳离子通道，在用蓝光 (480nm) 激发时会打开。在神经细胞中，ChR 打开会导致钠离子流入和膜去极化。 光敏成分是全反式视黄醛，它也存在于人眼视网膜中。光诱导构象变化为 13-顺式视黄醛，允许阳离子穿过通道。 在视黄醛结合位点附近引入特定点突变可以改变通道的动力学特性和特异性。 将 ChR 连接到其他蛋白质可以创建具有多种功能的工具，如体内监测导入的构建体。

卤代视紫红质 (HR) 是一种光控氯离子泵，用于光激活神经元抑制。在敏感神经元中，黄色光 (570nm) 的光学激发会导致氯离子的输入和超极化。^[10][11] 类似于 ChR，光敏感分子也是全反式视黄醛。由于 HR 和 ChR 中视黄醛的不同稳定性和波长敏感性差异，它们可以在同一细胞中使用并分别靶向。这允许对神经回路中的活性进行非常密切的控制。^[11][12]

为了光学控制细胞通路，开发了 Opto-XR 蛋白，^[13] 其中 X 代表目标信号通路。Opto-XR 由动物视紫红质（牛、大鼠等）组成，其胞内结构域被交换为细胞的信号序列。^[14] 这允许光学调节细胞的信号通路。信号序列可以通过光照射视紫红质引起的构象变化被激活或失活。这允许特定激活某些受体通路，如血清素或肾上腺素信号。^[13][15]

神经假体中的光学刺激

长期以来，电刺激一直被用于在神经假体中诱发神经放电。然而，电流的扩散和电场的产生限制了可以实现的空间分辨率。这限制了传输信号的保真度。^[16] 在听觉假体的情况下，最多可以使用大约 20 个电极，这使得实现的音质远远低于预期目标。转向基于光学的技术可以实现更小区域的激活，从而增加潜在地感知的音调数量。光学刺激技术的最新发展有望克服这些障碍，并改善假体装置以及患者的生活质量。

人工耳蜗

已经对各种动物模型（如啮齿动物和猫）的耳蜗和听神经进行了红外刺激测试。光学变体显示出关于激光刺激区域的显着精度，其大小与中等响度音调激活的大小大致相同。研究还表明，使用低能量红外辐射，可以实现持续刺激，而不会造成组织的逐渐加热和损伤。这使得植入物能够全天使用，而不会损伤耳蜗系统。红外刺激的主要缺点是与电刺激相比，能量消耗要高得多。^[2]

为了克服所描述的能量问题，研究人员已开始在啮齿动物中测试光遗传学方法。他们对基因工程改造的小鼠，使其在脊髓神经节神经元中表达通道视紫红质。与红外辐射相比，神经细胞的敏感化使诱发放电所需的能量降低了 7 倍（红外：15 μJ，光遗传学：2 μJ，电：0.2 μJ）。因此，可以使用 μLED 而不是激光进行刺激。尽管取得了这些进展，但在不久的将来将这项技术应用于人类仍有疑问。这主要是因为将遗传物质病毒性引入生物体可能存在危险。到目前为止，仅批准了极少数基因治疗方法。必须实施并批准一种安全但仍然有效的针对耳蜗器官的特异性感染方法。^[17]

已经注册了描述人类潜在光学人工耳蜗的首批专利。这些植入物的工作原理类似于传统的电植入物。但与电极不同，它们具有 VCSEL（垂直腔面发射激光器），由植入物的输入设备驱动。VCSEL 是可以安装在植入物的小管中的激光发射二极管。激光器指向 Corti 器官，并且可以比电极更紧密地间隔，使植入物输出通道的数量增加了一倍以上。激光二极管用于高音调信号，而电极驱动低振幅神经细胞。^[18]

前庭假体

前庭假体的目的是恢复因前庭系统功能障碍而引起的不平衡问题。由于半规管相互连接，电流扩散是电刺激传递中的一个主要问题。电流扩散会导致对不需要的半规管的额外刺激，从而导致向大脑发送错误的平衡信号。已经研究了使用红外辐射的可能性。对壶腹的照射没有诱发动作电位。刺激失败的原因可能在于毛细胞对红外辐射的不敏感。然而，前庭神经的光学刺激可能是可行的。目前尚不清楚以这种方式是否可以单独刺激来自不同壶腹的神经。^[2][19]