专利名称：一种光基因气味仿真系统的制作方法嗅觉作为五大感觉之一，起着识别同类、寻找食物、报警、影响情绪等功能。相对 视觉、听觉研究，人们对嗅觉的研究相对滞后。1991年，Richard Axel和Linda B. Buch 在cell上发表论文，指出啮齿类动物有1000种不同类型的气味基因家族，并证明一种嗅觉 受体能够特异地和多种气味分子结合，同时一种气味分子也可能特异地与多个嗅觉受体结 合。这一发现引起人们对嗅觉的极大兴趣，使得嗅觉研究达到空前的高潮，之后众多的论文 得以发表。由于他们在嗅觉上的开创性研究，2004生物学、医学诺贝尔奖授予他们，以表彰 他们的杰出贡献。迄今，仍有两个方面的问题亟待解决，一个是嗅觉系统及中枢神经系统对 各种气味刺激是如何编码和识别的；另一个是信号在各级嗅觉系统中如何加工、整合及传 递的。功能性磁共振成像(FMRI)技术从功能上证明大脑中哪些区域参与某种思维活动， 无法从细胞层次揭示其中的相互连接及其功能。基于电刺激的电生理测量技术，受到电刺 激位置不易精确控制、刺激重复差、刺激范围大、存在电泄露的局限性。采用化学物质(如硫 化氢)的刺激，虽然相对电刺激更接近嗅觉生理，但由于不同气味分子的扩散系数、溶解度 和吸附差异很大，使得研究非常复杂，难以实验控制。另外，气味种类繁多，化学成分非常复 杂，细微的变化更增加研究的难度。小鼠第一级嗅感系统一嗅感神经元的受体分布在鼻腔粘膜内，负责把气味的刺激 转化为神经冲动，如果能够跳过第一级传感系统，直接从嗅觉第二级系统出发，通过刺激嗅 小球来模拟不同气味或不同浓度气味的刺激将会非常有利于嗅觉系统的研究。光基因技术 (Optogenetic technique)的出现，使得这成为可能。利用遗传学手段在嗅觉第二级系统表 达光敏蛋白，通过光学手段照射这些嗅小球，就可以激活特定细胞、神经回路，并控制特定 神经元的放电活动，因此就可模拟气味刺激引起的嗅觉反应。光基因技术的特异性有利于 避免健康细胞的损伤、将副作用降低到最小，因此可用于在体实验。小鼠的嗅小球平均直径为50Mffl，通常激活光敏蛋白采用的光源是宽场光源如高压 汞灯，这样就可能把所有嗅小球都激活，无法实现单个嗅小球的激活，因而无法精确研究嗅 觉系统工作机理。为此需要局部刺激单个嗅小球而不扩散到其它区域，而且要精确控制刺 激光强、刺激时间，方便于活体小动物实验。
基于此，有必要提供一种光基因气味仿真系统，其特征在于，包括计算机、控制单 元、光源驱动单元、光纤耦合单元、传导光纤、光纤探头、记录电极和放大运算单元。计算机把仿真的参数通过总线输入到控制箱，控制箱根据输入参数控制光源驱动 单元产生特定要求的输出光，通过传导光纤耦合进入光纤探头，实现对嗅球的光刺激。所述控制单元作为计算机的外设接口，分别连接所述光源驱动单元、放大运算单 元，所述计算机通过控制单元实现对光源控制单元、放大运算单元的通信控制。所述光纤探头、记录电极的固定通过过渡板实现，用于精确定位，以及消除多个光 纤探头安装带来的干扰。所述过渡板的加工制作基于嗅球的荧光图像，在有荧光的嗅小球位置处，以其中 心加工直径不超过0. 2mm的通孔。所述光纤探头在通孔的固定采用折射率匹配的胶水凝固，既保证不损伤嗅觉系 统，也不影响光的穿透。所述光纤探头用单模或多模光纤制作，可加工成端窗型、锥形、聚焦型光纤探头， 从而获得不同形状、不同尺寸的出射光斑用于刺激嗅小球。优选的，光纤探头采用角度型、复合型结构可以减少传导光的泄露，实现数十纳米 深度的照射嗅小球。所述光纤探头与传导光纤属于同一规格的光纤，通过FC/PC接头连接，也可采用 光纤熔接机熔接，提高耦合效率。所述光源优选高强度LED，尤其适合多个LED分别刺激不同嗅小球，并适合控制单 元独立控制，实现多种模式的刺激。优选的，可采用蓝光、黄光双色LED，用于表达兴奋型和抑制性的光敏蛋白细胞的 刺激。所述LED与传导光纤的耦合优选直接耦合方式，具有耦合效率高、方便封装、稳定 等特征。所述系统具有刺激时间精度、空间精度、刺激强度等参数连续可调的功能，可以仿 真不同浓度、不同方向来源、不同成分、不同传播速度气味的仿真。所述系统可以开展阈值特性、可靠性、信息编码、信息整合、方向性及对称性等方 面的测量，用于研究嗅觉系统对各种气味刺激的编码与识别，以及信号在嗅觉系统中加工、 整合及传递的规律。本发明使用光纤探头实现光束传导，能够对表达有不同类型光敏蛋白的嗅小球进 行不同模式的光刺激，根据记录的电生理信号和行为表现，可以揭示嗅觉系统的工作机理， 用于生物学、医学应用研究。图1是小鼠左右嗅球结构示意图； 图2是固定光纤探头过渡板结构示意图3是气味仿真系统实施方式的结构示意图； 图4是基于透镜的激光耦合结构示意图； 图5是光纤到LED直接耦合方式示意图； 图6是LED驱动电路模块示意图； 图7是不同结构光纤探头示意图； 图8是仿真参数与实际刺激参数对照示意图； 图9是阈值测量示意图；图10是时间刺激示意图； 图11是强度刺激示意图。
阈值测量研究，如图9所示，1-6号环形圆表示的表达有光敏蛋白的嗅小球，L1、L2、L3、 RU R2、R3分别表示所对应连接的光纤探头。不断增加光纤探头Ll输出光强，观察小鼠行为，是否存在某一设定值A，小鼠有闻到气味的行为表现。再分别改变光强刺激其它嗅小 球，是否也存在这样一个强度阈值，它们之间是否存在一致性。另外，固定刺激光强in，不断
减少刺激时间，是否存在一个时间值，小鼠不再有反应，证明是否存在一个时间阈值。可靠性研究，如图9所示，用一定的光强刺激小鼠有响应，如果把光强均分到2个、 3个或更多个嗅小球，如1-6号嗅小球，小鼠的行为反应是否与刺激单个嗅小球Ll存在一致 性。从而可以证明单个强的信号可靠，还是多个弱的信号可靠。信息编码研究，由于相同嗅觉受体的神经元都投射到同一个嗅小球，同一种气味 可以与不同嗅觉受体结合，因此对于同一种气味刺激，会有一个或多个嗅小球参与编码。如
图9所示，假如1-6号嗅小球是同一气味引起反应的嗅小球，则分别采用C61、C16、C36、Q4、
C|、C66组合选取嗅小球用于光刺激，分析记录的电信号及其行为反应，可用于分析这些嗅 小球编码机理。信息整合研究，如图9所示，分别选取左右半球上的嗅小球Ll和R1，利用图10所 示的刺激模式，采用同步及不同时间延迟的刺激这两个嗅小球，以及不同光强同时刺激这 两个嗅小球，如图11所示，分析研究嗅觉系统信息整合的机理。方向性研究，假如图9所示的嗅小球Ll和Rl分别与小鼠左右鼻腔的嗅感神经元 连接，用不同时间延迟的光刺激这两个嗅小球，可以分析小鼠嗅觉系统是否存在方向性。对称性研究，研究证明同一气味刺激会引起嗅觉左半右半球的内测、外侧的四个 嗅小球做出响应，即对应一种气味刺激小鼠嗅觉会有4个响应位置，且这四个响应位置之 间是相互制约的。假如图1灰色圆环所示为相应的4个嗅小球，采用不同模式的刺激，可以 揭示嗅觉系统的编码机制以及信号是如何整合、传递的。以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所 公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保 护的范围。


本发明公开了一种生物、医学领域的气味仿真系统，包括计算机把仿真参数通过总线输入到所述控制单元，控制单元根据输入参数控制光源驱动单元产生特定模式输出光，光纤耦合单元把输出光耦合到光纤探头，光纤探头有光输出并照射到选定嗅小球上，嗅小球在光刺激下诱导出嗅觉活动电信号，记录电极采集该嗅觉活动电信号并传输到放大运算单元中，进而通过控制单元输入到计算机进行显示、保存和处理。本发明通过对表达有不同类型光敏蛋白的嗅小球进行不同模式的光刺激，并记录和分析嗅小球的电生理信号和行为表现，研究嗅觉系统对各种各样气味刺激的编码和识别，以及信号在嗅觉系统中加工、整合及传递的规律，来揭示嗅觉系统的工作机理。