嗅覺識別模型研究新進展

1、嗅覺識別模型研究新進展    【關(guān)鍵詞】  嗅覺識別；K系列模型；反饋模型；同步振蕩模型；間隙連接模型嗅覺是由氣體物質(zhì)刺激嗅覺感受器引起的感覺，是一種特殊的化學感覺。在對人類所有感覺系統(tǒng)的研究中，嗅覺一直是最神秘的領(lǐng)域，對嗅覺的形成機制和過程的研究還一直處在探索階段。由于嗅覺感受器的位置隱蔽，為直接的嗅覺實驗研究帶來了不少困難；但是實驗的定性研究與模型的定量分析相結(jié)合，卻為研究嗅覺機制提供了一種行之有效的新方法?，F(xiàn)就嗅覺識別機制及其模型的研究現(xiàn)狀作一綜述。    1  嗅覺識別機制  

2、  人類能識別和記憶約1萬種不同氣味的基本原理一直不為人所知。2004年諾貝爾生理學和醫(yī)學獎得主Axel和Buck解決了該難題1。他們發(fā)現(xiàn)了一個大型的基因家族，哺乳類動物大約由1 000個不同基因組成，在人類家族中只有500至1 000個基因（其中約60%是假基因），這些基因構(gòu)成了相當數(shù)量的嗅覺受體類型，這些受體位于嗅覺受體細胞內(nèi)。每個嗅覺受體細胞只含有一種嗅覺受體（Olfactory receptors，ORs），每個嗅覺受體可以探測到數(shù)量有限的氣味物質(zhì)，因此人們的嗅覺受體細胞分工相對明確，專一性強。對于某一種嗅覺受體而言，僅僅對某些氣味很敏感。大多數(shù)的氣味是由多種氣味分子構(gòu)成的，

3、每種氣味分子可以激活多種氣味受體，這就導致聯(lián)合編碼形成“氣味模式”。各種氣味受體的結(jié)構(gòu)與其表達的區(qū)域相關(guān)，氨基酸序列具有高度同源性的受體趨向定位于同一個區(qū)，使氣味編碼在感受器水平（嗅上皮）具有了空間模式。    嗅覺受體細胞上行投射到主嗅球中，投射時服從兩個基本原則：“區(qū)對區(qū)投射”原則和“嗅小球匯聚”原則2。在嗅上皮上給定區(qū)域的嗅覺受體細胞投射到主嗅球?qū)獏^(qū)域的嗅小球中；攜帶相同受體的氣味受體細胞的軸突匯聚于相應的嗅小球中。    嗅小球隨后又會激活僧帽細胞，每個嗅小球只激活一個僧帽細胞；僧帽細胞然后將信息傳輸?shù)酱竽X其他部分。這樣，來

4、自不同氣味受體的信息組合成與特定氣味相對應的模式，大腦最終有意識地感知到特定的氣味。    2  嗅覺識別模型研究進展    2.1  早期的嗅覺模型  早期的嗅覺模型只是在表觀上解釋了嗅覺系統(tǒng)的某些生理現(xiàn)象，與嗅覺生理系統(tǒng)的解剖結(jié)構(gòu)缺乏聯(lián)系，如：層析模型認為嗅覺黏膜就像一個空心層析柱，當不同的化學氣體通過它時，由于分配系數(shù)的差異，導致了化學氣體在嗅覺黏膜層上不同空間的分布。層析模型只是從嗅覺黏膜的生理結(jié)構(gòu)上闡述了嗅覺辨識的內(nèi)在機制。  回歸模型解釋了嗅覺反應強度與外界刺激信號之間的關(guān)系，是從統(tǒng)

5、計學角度對嗅覺模型進行描述。 Hahn等人在研究鼻腔氣流流動模式的基礎上，提出了更為全面的嗅覺模型知識模型，將嗅覺反應分解為五個連續(xù)的過程。Hahn的模型較全面地描述了主要的嗅覺機制，但是，他們把氣味分子在鼻腔中的傳輸過程描述為一維波動問題，顯然忽略了氣味分子在鼻腔內(nèi)的擴散作用，對高揮發(fā)性氣體也能產(chǎn)生嗅覺的生理現(xiàn)象不能做出較好的解釋。譚文長等3改進了Hahn的模型，建立二維不定常嗅覺模型，并給出了模型的精確解，精確解定量揭示了嗅覺生理參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系。    2.2  K系列模型  Freeman等4-5在其長期的神經(jīng)生物學實驗基礎上，根據(jù)嗅

6、覺系統(tǒng)的生理解剖結(jié)構(gòu)以及嗅覺系統(tǒng)各層次不同神經(jīng)元集合的電發(fā)放特性，建立了一套非線性神經(jīng)網(wǎng)絡模型K系列模型和一組常微分方程。    K系列模型對于嗅覺神經(jīng)系統(tǒng)的研究是基于神經(jīng)團理論的，即認為相似的神經(jīng)元組成的細胞團具有相似的功能和一致的特性，可以作為整個神經(jīng)系統(tǒng)中的組成模塊。K系列神經(jīng)網(wǎng)絡模型采用分層的拓撲結(jié)構(gòu)來描述嗅覺系統(tǒng)，由低級到高級依次為:組成和功能都很相近的神經(jīng)細胞團簇模型（K0）、少數(shù)的神經(jīng)團簇模型（K）、神經(jīng)元集合（K）、整個嗅覺系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡（K）四個層次。每一個模型都由比它低級的模型作為單元而組成。K系列模型比較完整地描述了整個嗅覺神經(jīng)系統(tǒng)，同時從非

7、線性神經(jīng)動力學的角度對神經(jīng)系統(tǒng)中信息傳遞、處理、學習和記憶的工作機制提出了獨特的解釋。這套模型在對兔子的嗅神經(jīng)電生理信號以及嗅皮層的EEG信號的模擬中取得了很好的效果6，可以用來解釋一些嗅覺信息的處理機制。    K系列模型最新的研究是K模型，K模型是在對K模型以及對低等動物腦結(jié)構(gòu)的研究基礎上，對于低等動物前腦的模擬，K模型由多個K模型整合而成，可以實現(xiàn)比K模型更高級的人工智能。這個模型主要包括四大部分：外周感覺神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)部感覺神經(jīng)系統(tǒng)、海馬結(jié)構(gòu)以及運動神經(jīng)系統(tǒng)。Kozma等7發(fā)展的K模型由對多通道的EEG分析來驅(qū)動，模擬了爬行動物腦海馬的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，且描述了

8、海馬對觸覺、視覺及聽覺等外部刺激的反應及與情感等內(nèi)驅(qū)力的相互作用。    2.3  反饋模型  隨著嗅覺系統(tǒng)解剖學和生理學的不斷發(fā)展，很多學者發(fā)現(xiàn)：氣味在嗅球和嗅皮層的興奮性和抑制性細胞族群上誘發(fā)振蕩，嗅球和嗅皮層之間存在前饋和反饋連接，降低皮層反饋會增強嗅球反應，而且系統(tǒng)對特定氣味還具有適應性。    基于上述理論，Li和Hertz8建立的嗅覺模型由兩部分組成：嗅球和嗅皮層，其間存在前饋和反饋連接。嗅球的主要細胞類型包括興奮性僧帽細胞單元和抑制性顆粒細胞單元；嗅皮層上也包括興奮性細胞單元和抑制性細胞單元。

9、0;   嗅球以振蕩模式對于輸入氣味進行編碼，然后輸入到嗅皮層。嗅皮層還是氣味記憶的貯存部位：當來自嗅球振蕩電位的振幅、相位與貯存于皮層內(nèi)突觸的一種氣味記憶相匹配時，皮層通過對振蕩模式的共振來識別這種氣味。然后這種振蕩模式以反饋信號的形式轉(zhuǎn)送到嗅球，大致上可以和引起這種信號的氣味輸入信號相抵消。系統(tǒng)就可以對重疊在前一種氣味上新的氣味進行響應，從而實現(xiàn)對外界環(huán)境中不同的氣味在時間上進行分割。    仿真結(jié)果表明：嗅球上僧帽單元或者嗅皮層上興奮性單元對于不同的氣味，響應模式的幅值是明顯不同的。嗅皮層只對存貯在其記憶矩陣中的氣味有稍微的共振，對于未存

10、貯的氣味沒有響應，這表明嗅皮層細胞的響應具有選擇性。對于氣味的響應還具有適應性。在連續(xù)的刺激下，響應的幅值快速下降，但是即使在幅值降到零之前，振蕩模式并沒有改變。這是由于氣味產(chǎn)生的反饋信號，會產(chǎn)生有效的附加輸入信號（假設輸入氣味為A，那么產(chǎn)生的附加信號就為A-（抗A）。當AA-0時，幅值就會降到零）。但是模型對于混合性氣體不存在適應性，這是由于嗅球是非線性的。    由于建模過程中忽略了許多嗅覺系統(tǒng)的己知特性，比如：受體細胞和僧帽細胞間的連接模式；僧帽-顆粒細胞突觸間的樹樹突觸特性；嗅球和嗅皮層上連接具有不同的空間分布。因此，該模型不具有幾何結(jié)構(gòu)：“位置”和“距離

11、”對其來說是沒有意義的。而且，為了得到可以用計算機測試的顯式模型，還假設嗅皮層反饋到嗅球的信號是緩慢變化和氣味特定性的，盡管這一假設和現(xiàn)有的理論不相矛盾，但并沒有得到實驗的證明。但是，模型的基本框架和動態(tài)特性還是以實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)的。    2.4  同步振蕩模型  從客觀的角度看，發(fā)生在嗅球中的編碼是必然的生理現(xiàn)實。那么嗅小球模塊對受體輸入信息的合并和整合是如何同步化地傳向嗅皮層呢？對兔子的研究表明：氣味分子會引起不同嗅小球模塊的叢狀細胞和僧帽細胞發(fā)生3080 Hz同步振蕩峰電位釋放9。M-T細胞（僧帽細胞-叢狀細胞）與顆粒細胞的相互作用是形成振蕩局部場電位（Local Field Potential，LFP）的原因。當兩個鄰近的嗅小球模塊同時接受到輸入時，各嗅小球模塊輸出的時間模式可通過側(cè)抑制來調(diào)整。故顆粒細胞與M-T細胞樹-樹交互性突觸的力度決定了峰電位同步化的程度。屬于不同嗅小球的兩個僧帽細胞的軸突匯聚于嗅皮層同一個神經(jīng)元上，同步化的峰電位通過兩個突觸輸入的總和增加靶神經(jīng)元的反應。該神經(jīng)元的活動代表了兩個嗅小球模塊合并的活動，或不同氣味信號的合并。嗅皮層通過將氣味特征的完整集中，傳至不同腦區(qū)形成感覺。短暫的同步化為嗅皮層整合不同受體信號提供了基礎。