嗅覺(jué)識(shí)別模型研究新進(jìn)展

1、嗅覺(jué)識(shí)別模型研究新進(jìn)展    【關(guān)鍵詞】  嗅覺(jué)識(shí)別；K系列模型；反饋模型；同步振蕩模型；間隙連接模型嗅覺(jué)是由氣體物質(zhì)刺激嗅覺(jué)感受器引起的感覺(jué)，是一種特殊的化學(xué)感覺(jué)。在對(duì)人類(lèi)所有感覺(jué)系統(tǒng)的研究中，嗅覺(jué)一直是最神秘的領(lǐng)域，對(duì)嗅覺(jué)的形成機(jī)制和過(guò)程的研究還一直處在探索階段。由于嗅覺(jué)感受器的位置隱蔽，為直接的嗅覺(jué)實(shí)驗(yàn)研究帶來(lái)了不少困難；但是實(shí)驗(yàn)的定性研究與模型的定量分析相結(jié)合，卻為研究嗅覺(jué)機(jī)制提供了一種行之有效的新方法。現(xiàn)就嗅覺(jué)識(shí)別機(jī)制及其模型的研究現(xiàn)狀作一綜述。    1  嗅覺(jué)識(shí)別機(jī)制  

2、  人類(lèi)能識(shí)別和記憶約1萬(wàn)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(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主Axel和Buck解決了該難題1。他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)大型的基因家族，哺乳類(lèi)動(dòng)物大約由1 000個(gè)不同基因組成，在人類(lèi)家族中只有500至1 000個(gè)基因（其中約60%是假基因），這些基因構(gòu)成了相當(dāng)數(shù)量的嗅覺(jué)受體類(lèi)型，這些受體位于嗅覺(jué)受體細(xì)胞內(nèi)。每個(gè)嗅覺(jué)受體細(xì)胞只含有一種嗅覺(jué)受體（Olfactory receptors，ORs），每個(gè)嗅覺(jué)受體可以探測(cè)到數(shù)量有限的氣味物質(zhì)，因此人們的嗅覺(jué)受體細(xì)胞分工相對(duì)明確，專(zhuān)一性強(qiáng)。對(duì)于某一種嗅覺(jué)受體而言，僅僅對(duì)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(dǎo)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(dá)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(gè)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(jué)受體細(xì)胞上行投射到主嗅球中，投射時(shí)服從兩個(gè)基本原則：“區(qū)對(duì)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(jué)受體細(xì)胞投射到主嗅球?qū)?yīng)區(qū)域的嗅小球中；攜帶相同受體的氣味受體細(xì)胞的軸突匯聚于相應(yīng)的嗅小球中。    嗅小球隨后又會(huì)激活僧帽細(xì)胞，每個(gè)嗅小球只激活一個(gè)僧帽細(xì)胞；僧帽細(xì)胞然后將信息傳輸?shù)酱竽X其他部分。這樣，來(lái)

4、自不同氣味受體的信息組合成與特定氣味相對(duì)應(yīng)的模式，大腦最終有意識(shí)地感知到特定的氣味。    2  嗅覺(jué)識(shí)別模型研究進(jìn)展    2.1  早期的嗅覺(jué)模型  早期的嗅覺(jué)模型只是在表觀(guān)上解釋了嗅覺(jué)系統(tǒng)的某些生理現(xiàn)象，與嗅覺(jué)生理系統(tǒng)的解剖結(jié)構(gòu)缺乏聯(lián)系，如：層析模型認(rèn)為嗅覺(jué)黏膜就像一個(gè)空心層析柱，當(dāng)不同的化學(xué)氣體通過(guò)它時(shí)，由于分配系數(shù)的差異，導(dǎo)致了化學(xué)氣體在嗅覺(jué)黏膜層上不同空間的分布。層析模型只是從嗅覺(jué)黏膜的生理結(jié)構(gòu)上闡述了嗅覺(jué)辨識(shí)的內(nèi)在機(jī)制。  回歸模型解釋了嗅覺(jué)反應(yīng)強(qiáng)度與外界刺激信號(hào)之間的關(guān)系，是從統(tǒng)

5、計(jì)學(xué)角度對(duì)嗅覺(jué)模型進(jìn)行描述。 Hahn等人在研究鼻腔氣流流動(dòng)模式的基礎(chǔ)上，提出了更為全面的嗅覺(jué)模型知識(shí)模型，將嗅覺(jué)反應(yīng)分解為五個(gè)連續(xù)的過(guò)程。Hahn的模型較全面地描述了主要的嗅覺(jué)機(jī)制，但是，他們把氣味分子在鼻腔中的傳輸過(guò)程描述為一維波動(dòng)問(wèn)題，顯然忽略了氣味分子在鼻腔內(nèi)的擴(kuò)散作用，對(duì)高揮發(fā)性氣體也能產(chǎn)生嗅覺(jué)的生理現(xiàn)象不能做出較好的解釋。譚文長(zhǎng)等3改進(jìn)了Hahn的模型，建立二維不定常嗅覺(jué)模型，并給出了模型的精確解，精確解定量揭示了嗅覺(jué)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(zhǎng)期的神經(jīng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)嗅

6、覺(jué)系統(tǒng)的生理解剖結(jié)構(gòu)以及嗅覺(jué)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(xiàn)性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型K系列模型和一組常微分方程。    K系列模型對(duì)于嗅覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)的研究是基于神經(jīng)團(tuán)理論的，即認(rèn)為相似的神經(jīng)元組成的細(xì)胞團(tuán)具有相似的功能和一致的特性，可以作為整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)中的組成模塊。K系列神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型采用分層的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)描述嗅覺(jué)系統(tǒng)，由低級(jí)到高級(jí)依次為:組成和功能都很相近的神經(jīng)細(xì)胞團(tuán)簇模型（K0）、少數(shù)的神經(jīng)團(tuán)簇模型（K）、神經(jīng)元集合（K）、整個(gè)嗅覺(jué)系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（K）四個(gè)層次。每一個(gè)模型都由比它低級(jí)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(gè)嗅覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)，同時(shí)從非

7、線(xiàn)性神經(jīng)動(dòng)力學(xué)的角度對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)中信息傳遞、處理、學(xué)習(xí)和記憶的工作機(jī)制提出了獨(dú)特的解釋。這套模型在對(duì)兔子的嗅神經(jīng)電生理信號(hào)以及嗅皮層的EEG信號(hào)的模擬中取得了很好的效果6，可以用來(lái)解釋一些嗅覺(jué)信息的處理機(jī)制。    K系列模型最新的研究是K模型，K模型是在對(duì)K模型以及對(duì)低等動(dòng)物腦結(jié)構(gòu)的研究基礎(chǔ)上，對(duì)于低等動(dòng)物前腦的模擬，K模型由多個(gè)K模型整合而成，可以實(shí)現(xiàn)比K模型更高級(jí)的人工智能。這個(gè)模型主要包括四大部分：外周感覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)部感覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)、海馬結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)。Kozma等7發(fā)展的K模型由對(duì)多通道的EEG分析來(lái)驅(qū)動(dòng)，模擬了爬行動(dòng)物腦海馬的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，且描述了

8、海馬對(duì)觸覺(jué)、視覺(jué)及聽(tīng)覺(jué)等外部刺激的反應(yīng)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(jué)系統(tǒng)解剖學(xué)和生理學(xué)的不斷發(fā)展，很多學(xué)者發(fā)現(xiàn)：氣味在嗅球和嗅皮層的興奮性和抑制性細(xì)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(huì)增強(qiáng)嗅球反應(yīng)，而且系統(tǒng)對(duì)特定氣味還具有適應(yīng)性。    基于上述理論，Li和Hertz8建立的嗅覺(jué)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(xì)胞類(lèi)型包括興奮性僧帽細(xì)胞單元和抑制性顆粒細(xì)胞單元；嗅皮層上也包括興奮性細(xì)胞單元和抑制性細(xì)胞單元。

9、0;   嗅球以振蕩模式對(duì)于輸入氣味進(jìn)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(dāng)來(lái)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(shí)，皮層通過(guò)對(duì)振蕩模式的共振來(lái)識(shí)別這種氣味。然后這種振蕩模式以反饋信號(hào)的形式轉(zhuǎn)送到嗅球，大致上可以和引起這種信號(hào)的氣味輸入信號(hào)相抵消。系統(tǒng)就可以對(duì)重疊在前一種氣味上新的氣味進(jìn)行響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境中不同的氣味在時(shí)間上進(jìn)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(duì)于不同的氣味，響應(yīng)模式的幅值是明顯不同的。嗅皮層只對(duì)存貯在其記憶矩陣中的氣味有稍微的共振，對(duì)于未存

10、貯的氣味沒(méi)有響應(yīng)，這表明嗅皮層細(xì)胞的響應(yīng)具有選擇性。對(duì)于氣味的響應(yīng)還具有適應(yīng)性。在連續(xù)的刺激下，響應(yīng)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(méi)有改變。這是由于氣味產(chǎn)生的反饋信號(hào)，會(huì)產(chǎn)生有效的附加輸入信號(hào)（假設(shè)輸入氣味為A，那么產(chǎn)生的附加信號(hào)就為A-（抗A）。當(dāng)AA-0時(shí)，幅值就會(huì)降到零）。但是模型對(duì)于混合性氣體不存在適應(yīng)性，這是由于嗅球是非線(xiàn)性的。    由于建模過(guò)程中忽略了許多嗅覺(jué)系統(tǒng)的己知特性，比如：受體細(xì)胞和僧帽細(xì)胞間的連接模式；僧帽-顆粒細(xì)胞突觸間的樹(shù)樹(shù)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(duì)其來(lái)說(shuō)是沒(méi)有意義的。而且，為了得到可以用計(jì)算機(jī)測(cè)試的顯式模型，還假設(shè)嗅皮層反饋到嗅球的信號(hào)是緩慢變化和氣味特定性的，盡管這一假設(shè)和現(xiàn)有的理論不相矛盾，但并沒(méi)有得到實(shí)驗(yàn)的證明。但是，模型的基本框架和動(dòng)態(tài)特性還是以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)的。    2.4  同步振蕩模型  從客觀(guān)的角度看，發(fā)生在嗅球中的編碼是必然的生理現(xiàn)實(shí)。那么嗅小球模塊對(duì)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(duì)兔子的研究表明：氣味分子會(huì)引起不同嗅小球模塊的叢狀細(xì)胞和僧帽細(xì)胞發(fā)生3080 Hz同步振蕩峰電位釋放9。M-T細(xì)胞（僧帽細(xì)胞-叢狀細(xì)胞）與顆粒細(xì)胞的相互作用是形成振蕩局部場(chǎng)電位（Local Field Potential，LFP）的原因。當(dāng)兩個(gè)鄰近的嗅小球模塊同時(shí)接受到輸入時(shí)，各嗅小球模塊輸出的時(shí)間模式可通過(guò)側(cè)抑制來(lái)調(diào)整。故顆粒細(xì)胞與M-T細(xì)胞樹(shù)-樹(shù)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(gè)僧帽細(xì)胞的軸突匯聚于嗅皮層同一個(gè)神經(jīng)元上，同步化的峰電位通過(guò)兩個(gè)突觸輸入的總和增加靶神經(jīng)元的反應(yīng)。該神經(jīng)元的活動(dòng)代表了兩個(gè)嗅小球模塊合并的活動(dòng)，或不同氣味信號(hào)的合并。嗅皮層通過(guò)將氣味特征的完整集中，傳至不同腦區(qū)形成感覺(jué)。短暫的同步化為嗅皮層整合不同受體信號(hào)提供了基礎(chǔ)。