感覺系統/神經感覺植入/未來方向

氣味的電子測量

如今，氣味可以透過多種電子方式測量，例如：質譜法、氣相色譜法、拉曼光譜法，以及最近的電子鼻。一般來說，它們假設不同的嗅覺受體對特定的分子物理化學性質具有不同的親和力，並且這些受體的不同啟用會產生反映氣味的時空活動模式。

電子鼻

俄羅斯聯邦航天局的飛行工程師亞歷山大·米蘇爾金在國際空間站上使用噴氣推進實驗室電子鼻 (ENose) 實驗。

電子鼻是一種基於化學感測器陣列和模式識別的氣味人工感知裝置。它們用於識別和量化溶解在空氣（或其他載體物質）中的物質。電子鼻由取樣裝置（類似於鼻子）、感測器陣列（類似於嗅覺受體神經元）和計算單元（類似於大腦）組成。

感測器陣列

與動物的鼻子一樣，使用非特異性感測器。這不僅是因為很難找到非常特異性的感測器，而且還因為人們希望在沒有針對每種化合物的感測器的情況下覆蓋大量的可能化合物。此外，如果處理基於多個感測器的資訊，則更穩健、更精確和更高效。當這些感測器與化合物接觸時，它們的電氣特性會發生變化（例如，電阻增加）。這種改變會導致電壓變化，該變化被數字化（AD 轉換器）。

最常用的感測器型別包括金氧半導體 (MOS)、石英晶體微天平 (QCM)、導電聚合物 (CP) 和表面聲波 (SAW) 感測器。另一種很有前途的技術是使用蛋白質作為感測器的生物電子鼻。也可以結合使用不同型別的感測器來獲得更精確的結果，並將多種感測器型別的優點結合起來，例如，更好的時間響應性與更好的靈敏度。

示例：導電聚合物感測器的運作原理

導電聚合物感測器由大約 2-40 種不同的導電聚合物（有機分子的長鏈）陣列組成。一些氣味分子滲透到聚合物薄膜中，導致薄膜膨脹，從而增加其電阻。許多型別聚合物的這種電阻增加可以用滲流理論來解釋。 由於材料的化學性質，不同的聚合物對相同的氣味會有不同的反應。

計算

感測器訊號必須與模式識別演算法匹配到氣味混合物。可以使用多元統計方法建立一個潛在組合的資料庫，並在呈現氣味時找到最佳匹配，或者可以訓練神經網路來識別模式。通常也使用主成分分析來降低感測器資料的維數。

應用

電子鼻有很多應用。它們被用於航空航天和其他行業來檢測和監測危險或有害物質，以及用於質量控制。在安全領域，可能的應用是檢測毒品或爆炸物。電子鼻可能有一天能夠取代警犬。一個非常強大的應用可能是診斷改變呼吸化學成分或排洩物或血液氣味的疾病，從而有可能取代侵入性診斷技術。它也可以用來診斷癌症，因為某些癌細胞可以透過其揮發性有機化合物譜來識別。透過氣味診斷癌症已經被發現對狗、蒼蠅有效， 但具有高靈敏度和特異性的實用方法仍在開發中。另一個醫學應用是透過基於電子鼻的嗅覺植入物治療嗅覺缺失症（無法感知氣味）。這也還在開發中。相反，電子鼻已經用於環境監測和保護。在機器人技術中，電子鼻可以用來追蹤空氣中的氣味或地面的氣味。特別是對於機器人技術來說，更好地理解昆蟲的嗅覺系統將非常有趣，因為為了利用氣味進行導航或定位氣味源，必須使用經常被忽略的時間刺激資訊。

昆蟲可以追蹤氣味，因為它們可以對大約 150 毫秒內的變化做出反應，並且它們的一些受體能夠描繪出至少在 10 赫茲以上的頻率發生的快速氣味濃度變化。相反，導電聚合物和金屬氧化物電子鼻的響應時間範圍從幾秒到幾分鐘不等。 僅有少數例外報道在幾十毫秒的範圍內。

神經元的光刺激

神經元的光刺激是一個新興的研究領域。透過將聚焦光源照射到神經細胞上，使其去極化，從而實現神經元放電。實現這一目標主要有兩種方法：用雷射照射神經元，產生區域性溫度梯度；或將光敏通道或受體匯入神經細胞，使其對光敏感，類似於人類視網膜中的視杆細胞和視錐細胞。與傳統使用的電刺激相比，它的優勢在於精度更高，組織損傷更少或沒有損傷。

電刺激與光刺激

與光刺激相比，電刺激具有固有的侷限性。為了引發可靠的放電，電極必須與目標組織物理接觸或緊密接近。將電極匯入神經組織會損傷它和周圍組織。

在許多情況下，電極陣列被匯入到導電組織中，允許電流擴散，進一步降低了可以達到的空間解析度。

誘發的腦神經活動的測量通常會被比測量的腦神經活動大得多的刺激偽影汙染。在接近激發部位的測量中尤其如此。

相反，光刺激可以可靠地實現單個細胞或少量細胞群的激發。它不需要與目標組織直接接觸，從而減少組織損傷。最後，接近神經響應的電記錄不會被激發刺激汙染。 儘管電刺激存在上述缺點，但它仍然是目前最成熟、最可靠的神經刺激方法。

紅外刺激

紅外刺激基於紅外雷射在神經元內產生區域性溫度梯度。它不需要在刺激之前對細胞進行任何修改。低能雷射不會對組織造成損傷，並能引發無偽影的刺激。導致神經元放電的確切機制尚不清楚。然而，研究表明，這種現象最有可能歸因於區域性光熱過程。因此，紅外照射會在一個小的空間內產生一個溫度梯度，在照射停止後迅速消失。區域性溫度升高至 9°C 被認為會導致分子構象發生變化，最終導致神經元放電。在高照射頻率下，熱量會累積，導致被照射的組織逐漸升溫，最終損傷細胞。

視光遺傳學

視光遺傳學是透過引入外源基因使細胞對光敏感，從而實現對神經元放電模式進行時間和空間上的高解析度改變。這些基因可以在動物的基因改造中表達，也可以透過病毒等載體匯入。如今使用的多數光敏基因最初是在單細胞生物（如藻類或古細菌）中發現的。這些基因可以編碼光敏離子通道或受體，產生對光刺激的多種響應。

從左到右的光學神經放電操控技術：ChR：藍光 (480 nm) 激發通道視紫紅質 (ChRs) 導致通道開啟，Na⁺ 流入。鈉離子流入導致去極化並引發神經元放電。HR：光啟用視紫紅質被黃光 (570 nm) 啟用。開放的通道允許氯離子進入細胞，導致超極化，從而抑制動作電位的形成。Opto-XR：動物視紫紅質（淺綠色）是構建體中的光敏部分。細胞內環（深綠色）被交換為目標通路的訊號序列。Opto-XR 激發導致訊號轉導發生改變，從而影響細胞的反應和代謝。紅外照射：用紅外雷射脈衝照射細胞會在區域性產生熱梯度，並引發神經元放電。

對於神經元啟用，通常使用天然通道視紫紅質 (ChR) 或其經過工程改造的基因變體。ChRs 是光敏非特異性陽離子通道，在用藍光 (480nm) 激發時會開啟。在神經細胞中，ChR 開啟會導致鈉離子流入和膜去極化。 光敏成分是全反式視黃醛，它也存在於人眼視網膜中。光誘導構象變化為 13-順式視黃醛，允許陽離子穿過通道。 在視黃醛結合位點附近引入特定點突變可以改變通道的動力學特性和特異性。 將 ChR 連線到其他蛋白質可以建立具有多種功能的工具，如體內監測匯入的構建體。

滷代視紫紅質 (HR) 是一種光控氯離子泵，用於光啟用神經元抑制。在敏感神經元中，黃色光 (570nm) 的光學激發會導致氯離子的輸入和超極化。^[10][11] 類似於 ChR，光敏感分子也是全反式視黃醛。由於 HR 和 ChR 中視黃醛的不同穩定性和波長敏感性差異，它們可以在同一細胞中使用並分別靶向。這允許對神經迴路中的活性進行非常密切的控制。^[11][12]

為了光學控制細胞通路，開發了 Opto-XR 蛋白，^[13] 其中 X 代表目標訊號通路。Opto-XR 由動物視紫紅質（牛、大鼠等）組成，其胞內結構域被交換為細胞的訊號序列。^[14] 這允許光學調節細胞的訊號通路。訊號序列可以透過光照射視紫紅質引起的構象變化被啟用或失活。這允許特定啟用某些受體通路，如血清素或腎上腺素訊號。^[13][15]

神經假體中的光學刺激

長期以來，電刺激一直被用於在神經假體中誘發神經放電。然而，電流的擴散和電場的產生限制了可以實現的空間解析度。這限制了傳輸訊號的保真度。^[16] 在聽覺假體的情況下，最多可以使用大約 20 個電極，這使得實現的音質遠遠低於預期目標。轉向基於光學的技術可以實現更小區域的啟用，從而增加潛在地感知的音調數量。光學刺激技術的最新發展有望克服這些障礙，並改善假體裝置以及患者的生活質量。

人工耳蝸

已經對各種動物模型（如齧齒動物和貓）的耳蝸和聽神經進行了紅外刺激測試。光學變體顯示出關於雷射刺激區域的顯著精度，其大小與中等響度音調啟用的大小大致相同。研究還表明，使用低能量紅外輻射，可以實現持續刺激，而不會造成組織的逐漸加熱和損傷。這使得植入物能夠全天使用，而不會損傷耳蝸系統。紅外刺激的主要缺點是與電刺激相比，能量消耗要高得多。^[2]

為了克服所描述的能量問題，研究人員已開始在齧齒動物中測試光遺傳學方法。他們對基因工程改造的小鼠，使其在脊髓神經節神經元中表達通道視紫紅質。與紅外輻射相比，神經細胞的敏感化使誘發放電所需的能量降低了 7 倍（紅外：15 μJ，光遺傳學：2 μJ，電：0.2 μJ）。因此，可以使用 μLED 而不是雷射進行刺激。儘管取得了這些進展，但在不久的將來將這項技術應用於人類仍有疑問。這主要是因為將遺傳物質病毒性引入生物體可能存在危險。到目前為止，僅批准了極少數基因治療方法。必須實施並批准一種安全但仍然有效的針對耳蝸器官的特異性感染方法。^[17]

已經註冊了描述人類潛在光學人工耳蝸的首批專利。這些植入物的工作原理類似於傳統的電植入物。但與電極不同，它們具有 VCSEL（垂直腔面發射雷射器），由植入物的輸入裝置驅動。VCSEL 是可以安裝在植入物的小管中的雷射發射二極體。雷射器指向 Corti 器官，並且可以比電極更緊密地間隔，使植入物輸出通道的數量增加了一倍以上。雷射二極體用於高音調訊號，而電極驅動低振幅神經細胞。^[18]

前庭假體

前庭假體的目的是恢復因前庭系統功能障礙而引起的不平衡問題。由於半規管相互連線，電流擴散是電刺激傳遞中的一個主要問題。電流擴散會導致對不需要的半規管的額外刺激，從而導致向大腦傳送錯誤的平衡訊號。已經研究了使用紅外輻射的可能性。對壺腹的照射沒有誘發動作電位。刺激失敗的原因可能在於毛細胞對紅外輻射的不敏感。然而，前庭神經的光學刺激可能是可行的。目前尚不清楚以這種方式是否可以單獨刺激來自不同壺腹的神經。^[2][19]