基于腦-機接口和嗅覺解碼的仿生氣味識別系統(tǒng)

董 琪，秦 臻，胡 靚，莊柳靜，張 斌，王 平（浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器學(xué)院，生物傳感器國家專業(yè)實驗室，生物醫(yī)學(xué)工程教育部重點實驗室 杭州 310027）

基于腦-機接口和嗅覺解碼的仿生氣味識別系統(tǒng)

董 琪，秦 臻，胡 靚，莊柳靜，張 斌，王 平
（浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器學(xué)院，生物傳感器國家專業(yè)實驗室，生物醫(yī)學(xué)工程教育部重點實驗室 杭州 310027）

為了探討利用生物嗅覺傳感系統(tǒng)進行氣味識別的可行性，提出了一種基于腦-機接口的仿生氣味識別系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用大鼠嗅覺感受細胞作為氣味敏感傳感單元，使用16通道植入式微絲電極記錄和分析具有氣味刺激特征的嗅球僧帽細胞電位響應(yīng)信號。實驗結(jié)果顯示，該系統(tǒng)對氣味具有高度敏感性，通過一定模式識別處理算法，不同的氣味刺激具有較好的區(qū)分性，證明了該系統(tǒng)有望應(yīng)用于氣味的檢測和識別。

腦-機接口；氣味識別；嗅球；嗅覺解碼

近年來，基于氣敏傳感器陣列的電子鼻得到了長足的發(fā)展，并在食品工業(yè)、醫(yī)療和安全等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，受到目前傳感器技術(shù)的制約，電子鼻的靈敏度和穩(wěn)定性與生物嗅覺系統(tǒng)還有很大的差距。

天然的嗅覺依然是人類探測氣味的主要手段。人類使用狗來探測氣味已有數(shù)千年的歷史。近年來，具有更加敏銳嗅覺的大鼠也被訓(xùn)練用于探測地雷和唾液樣本中的結(jié)核桿菌［1］。長期以來，對動物嗅覺的利用一直停留在傳統(tǒng)的行為訓(xùn)練基礎(chǔ)上，需要花費較長的訓(xùn)練時間。

氣味分子的識別是由嗅黏膜上的一千多種氣味受體完成的［2］，一種氣味受體只能與特定分子結(jié)構(gòu)的氣味相結(jié)合，從而激活特定的嗅覺受體神經(jīng)元［3］。動作電位通過軸突投射至嗅球，經(jīng)處理后傳至大腦高級皮層。

神經(jīng)解碼是一種從神經(jīng)元記錄得到的放電信號中重塑傳感和刺激的算法。近十年以來，腦-機接口的迅速發(fā)展推動了神經(jīng)解碼算法的研究［4］。多種不同的神經(jīng)解碼算法被開發(fā)用于提取神經(jīng)活動中蘊含的信息。一些研究者已經(jīng)能夠使用這種方法重塑靈長類動物的手臂運動，并以此來控制外部的機械裝置［5］。然而和運動解碼相比，嗅覺解碼的發(fā)展要緩慢得多?？赡艿脑虬ǎ?）嗅覺皮層在大腦中廣泛分布，并常常兼有記憶和學(xué)習(xí)的功能［6］，研究者很難找到一個特定的區(qū)域來表征整個嗅覺系統(tǒng)。2）對嗅覺刺激的基本認(rèn)知不足，尚不清楚神經(jīng)信號是如何對氣味進行編碼的［7］。近年來，越來越多的證據(jù)表明，嗅球可能是嗅覺的初級皮層［8］。表達同種氣味受體的感覺神經(jīng)元投射到嗅球表面的一個或幾個嗅小球中，因此特定的氣味能夠使嗅球產(chǎn)生特定時空特性的活動。

本文報道了基于腦-機接口和嗅覺解碼的仿生氣味識別系統(tǒng)的設(shè)計方法，測量和分析了不同氣味刺激下的大鼠嗅球僧帽細胞的電位信號，并使用速率解碼（rate decoding）和支持向量機（support vector machine，SVM）實現(xiàn)氣味的初步識別。

1 大鼠氣味識別系統(tǒng)構(gòu)成及信號采集

本文提出的氣味識別系統(tǒng)以大鼠嗅覺感受細胞作為氣味敏感傳感單元，通過記錄和分析具有氣味刺激特征的嗅球電位信號實現(xiàn)氣味識別。傳感系統(tǒng)主要由氣味刺激裝置，多通道電極陣列傳感器，多通道信號采集裝置及計算機數(shù)據(jù)分析模塊4部分組成。氣味刺激裝置由濃度為10mM液體形式存儲的氣味瓶、微型真空泵和電磁閥組成，通過調(diào)節(jié)與純凈空氣的混合比例，能配置一定范圍內(nèi)任意濃度的刺激氣體。實驗多通道電極陣列傳感器采用自制的16通道直徑為65μm鎳鎘合金微絲（AM system，USA）電極陣列，電極阻抗為300～500k?（1KHz）。多通道信號采集裝置為商用OmniPlex數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Plexon，USA），具有20倍的前置放大器，16位的A/D轉(zhuǎn)換器，能以最高40kHz頻率5 000倍模擬放大實現(xiàn)256個通道實時數(shù)據(jù)采集，并帶有用于低頻場電位和高頻鋒電位的頻帶隔離可編程硬件濾波器。信號采集裝置通過網(wǎng)線將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機，利用Matlab編譯環(huán)境實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和分析。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

實驗對象SD大鼠購于浙江省醫(yī)學(xué)科學(xué)院，質(zhì)量是200～250g。大鼠進行電極植入手術(shù)流程是在腹腔注射10％的水合氯醛（4ml/kg）麻醉后，移除單側(cè)嗅球上覆蓋的頭骨，利用油壓微推進器（narishige，Japan）將電極植入到嗅球僧帽細胞層，平均深度約為200～300μm。使用異丁醇、苯甲醚、香芹酮、乙酸異戊酯和檸檬醛等5種氣味作為刺激物，單次刺激給予5s的氣味，刺激間隔為30s，每次試驗單種氣味重復(fù)刺激約20次。信號采集裝置同時記錄低頻場電位信號和刺激開始結(jié)束兩個標(biāo)記。

圖1 僧帽細胞的胞外記錄及氣味探測系統(tǒng)的組成

2 氣味信號的前處理

本文使用16通道微絲電極采集大鼠嗅球在不同氣味刺激下的神經(jīng)響應(yīng)。來自單個通道的信號放大了2 000倍后，經(jīng)過一個300Hz的三階巴特沃茲高通濾波器去除信號的低噪和漂移，然后采用閾值法進行峰電位信號的識別，通常采用信號噪聲方差的3倍作為閾值，以保證較高的信噪比。由于記錄電極截面積比單個神經(jīng)細胞大，有時會記錄到多個細胞同時發(fā)放的信號，需要進行辨識，主要采用了波峰波谷判別和K均值聚類算法相結(jié)合的分類方法。如圖2所示，該實例中采用波峰谷判別分類法能較好地區(qū)分同一個電極上記錄到的兩個發(fā)放細胞。K均值聚類算法是采用誤差平方和為準(zhǔn)則的動態(tài)聚類，在數(shù)據(jù)空間中定義K個初始點作為聚類中心，定義各樣本到的聚類中心歐式距離之和為目標(biāo)函數(shù)，最小化過程中不斷對樣本進行重新歸類，并對聚類中心進行動態(tài)調(diào)節(jié)，直至分類結(jié)果達到穩(wěn)定。該算法僅收斂到局部最小解，類別數(shù)K必須事先確定，且需要選擇分類標(biāo)準(zhǔn)。該方法能區(qū)分幅值相差不大的峰電位信號。通常，在一只實驗大鼠上能記錄到10個以上來自不同響應(yīng)細胞的信號，作為氣味分類的基礎(chǔ)。

圖2 僧帽細胞峰電位檢測及分類

3 結(jié)果與討論

為了研究利用大鼠嗅覺進行氣味探測的可能性，本文記錄了大鼠嗅球僧帽細胞在氣味刺激下的神經(jīng)元響應(yīng)，并使用嗅覺解碼的方法對氣味進行了分類。

3.1 系統(tǒng)靈敏度及特異性

哺乳動物的嗅覺具有驚人的能力，能夠在極低濃度下識別各種氣味。研究表明，人類對氣味的檢測下限約在ppb（nM）水平［9］。大鼠的嗅覺比人類靈敏得多，為了檢測該系統(tǒng)對氣味的靈敏度，本文使用10?15～10?5M不同濃度的5種氣味進行刺激。結(jié)果顯示，大鼠對不同氣味的敏感度不同。圖3顯示了在不同濃度的乙酸異戊酯和香芹酮刺激下的一個通道記錄到的胞外電位（圖3a）和一個僧帽細胞的平均發(fā)放速率（圖3b）?？梢杂^察到該僧帽細胞的發(fā)放速率隨氣味濃度升高而成非線性的增加。10?10M的各種氣味足以引發(fā)顯著并可重現(xiàn)的大鼠嗅球發(fā)放模式的變化（wilcoxon rank sum test，P≤0.05）。當(dāng)氣味濃度高于一定值（各種氣味并不相同，如香芹酮為10?8M，乙酸異戊酯為10?6M），這種變化會減小。為方便起見，在后續(xù)的研究中，刺激氣味的濃度固定在10?5M。

本文使用Wilcoxon rank sum test來檢測僧帽細胞的發(fā)放在氣味刺激下是否發(fā)生了顯著性變化。在47只麻醉大鼠中，發(fā)現(xiàn)超過70％記錄到僧帽細胞至少對一種氣味產(chǎn)生響應(yīng)。但是只有4％的僧帽細胞對超過4種氣味產(chǎn)生響應(yīng)。這可能是由嗅小球?qū)由咸囟ǖ男嵊X圖譜決定［10］。其余不響應(yīng)的細胞在后續(xù)的分析中被舍棄了。圖4顯示了3個典型的僧帽細胞在5種氣味刺激下的刺激前后時間直方圖（bin為大鼠一個呼吸周期，約580 ms），劃線為刺激開始的時間。圖中，cell #3能被苯甲醚、異丁醇和乙酸異戊酯激活，而cell #4和cell #5則對其他氣味有響應(yīng)。一般來說，一個僧帽細胞會對多種氣味產(chǎn)生響應(yīng)，但是響應(yīng)的方式并不相同。本文能夠同時觀察到僧帽細胞的興奮性響應(yīng)和抑制性響應(yīng)。59％的僧帽細胞在氣味刺激后，發(fā)放速率明顯增加，數(shù)量約是發(fā)放速率減少的細胞的兩倍。各種氣味引發(fā)的兩種響應(yīng)的比例也有較大的區(qū)別，這種區(qū)別是用于區(qū)別不同刺激物的重要特征。

圖3 僧帽細胞對不同濃度氣味刺激的響應(yīng)

本文使用Wilcoxon rank sum test來檢測僧帽細胞的發(fā)放在氣味刺激下是否發(fā)生了顯著性變化。在47只麻醉大鼠中，發(fā)現(xiàn)超過70％記錄到僧帽細胞至少對一種氣味產(chǎn)生響應(yīng)。但是只有4％的僧帽細胞對超過4種氣味產(chǎn)生響應(yīng)。這可能是由嗅小球?qū)由咸囟ǖ男嵊X圖譜決定的［10］。其余不響應(yīng)的細胞在后續(xù)的分析中被舍棄了。圖4顯示了3個典型的僧帽細胞在5種氣味刺激下的刺激前后時間直方圖（bin為大鼠一個呼吸周期，約580ms），劃線為刺激開始的時間。圖中，cell #3能被苯甲醚、異丁醇和乙酸異戊酯激活，而cell #4和cell #5則對其他氣味有響應(yīng)。一般來說，一個僧帽細胞會對多種氣味產(chǎn)生響應(yīng)，但是響應(yīng)的方式并不相同。本文能夠同時觀察到僧帽細胞的興奮性響應(yīng)和抑制性響應(yīng)。59％的僧帽細胞在氣味刺激后，發(fā)放速率明顯增加，數(shù)量約是發(fā)放速率減少的細胞的兩倍。各種氣味引發(fā)的兩種響應(yīng)的比例也有較大區(qū)別，這種區(qū)別是用于區(qū)別不同刺激物的重要特征。

圖4 僧帽細胞對不同氣味刺激的特異性響應(yīng)

3.2 基于嗅覺解碼的氣味識別

人的大腦是如何工作的是神經(jīng)科學(xué)研究的核心問題。在受到外界刺激之后，神經(jīng)編碼往往被認(rèn)為是基于特定子群體的神經(jīng)細胞改變其發(fā)放模式。其中，發(fā)放速率的變化是最容易檢測和定量的?；诎l(fā)放速率變化的神經(jīng)解碼算法也得到了廣泛的應(yīng)用。

本文也使用了速率解碼算法對不同刺激物進行分類。定義了兩個特征向量為：

F1=xn（k）-rn（k）

F2=xn（k）/rn（k）

式中，xn（k）是細胞n在第k輪刺激時的平均發(fā)放速率；rn（k）是第k輪刺激前的基礎(chǔ)發(fā)放速率；特征向量F1和F2在解碼時單獨使用，以此評判各自的解碼效果。在嗅覺解碼過程中，隨機選擇N個細胞（N=1～10）用于氣味分類。這種隨機選擇至少重復(fù)10次。本文將每種氣味的前15輪刺激得到的信號作為訓(xùn)練樣本，后5輪刺激得到的信號作為測試樣本，使用支持向量機（SVM）對氣味進行識別。圖5a和圖5b分別顯示了3只大鼠使用兩種特征向量時，選取不同數(shù)量解碼細胞時的最佳分類效果。分類準(zhǔn)確率隨解碼細胞的增加而增加。3只大鼠的最佳氣味分類結(jié)果分別為68％、64％、72％（F1）和76％、72％，84％（F2）。F1的解碼效果較差，可能是由于僧帽細胞的基礎(chǔ)發(fā)放速率范圍過大（0.2～46Hz）。在發(fā)放速率歸一化的過程中，除法的效果要好于減法。這種算法已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)實時的氣味識別。但是即使是F2的氣味識別率依然不能讓人滿意。

這種算法主要利用了僧帽細胞群落的空間信息。表達相同受體的嗅覺受體神經(jīng)元會投射到嗅球上的同一個嗅小球。因此單種氣味會激活嗅球的特定區(qū)域。兩種方法可以顯著提高氣味識別的正確率。其一是增加解碼細胞的數(shù)量。文獻［11］開發(fā)了一種128通道記錄的嗅覺解碼算法，其平均氣味識別準(zhǔn)確率達到了93.4％。第二種方法是增加其他的特征向量，如時間信息。在過去的研究中使用一種基于群矢量算法的氣味識別方式，其最高正確率達到95％［12］。但是這些方法都會增加解碼算法的復(fù)雜度，提高實時氣味分類的難度。因此如何在不增加解碼算法復(fù)雜度的前提下提高氣味分類是后續(xù)研究的主要內(nèi)容。

圖5 使用嗅覺解碼算法對氣味進行識別

4 結(jié)論

本文研究了一種基于腦-機接口和嗅覺解碼的仿生氣味探測系統(tǒng)。該方法利用哺乳動物嗅覺系統(tǒng)中的嗅球作為氣味信息的生物傳感單元，采用植入微電極陣列傳感器的手段記錄并解讀在氣味刺激下的嗅球神經(jīng)響應(yīng)信號，初步實現(xiàn)了氣味識別。利用在體生物嗅覺系統(tǒng)對于氣味識別特有的高特異性和高靈敏性可以構(gòu)造出更具有吸引力的新一代生物電子鼻。另一方面，由于生物系統(tǒng)的不穩(wěn)定性以及氣味響應(yīng)信號的解碼仍面臨著一定的難度，該氣味探測系統(tǒng)仍需要進一步的探索和改進，以實現(xiàn)氣味更準(zhǔn)確、更有效地識別。

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編輯 黃 莘

Biomimetic Olfactory Sensing System Based on Brain-Machine Interface and Olfactory Decoding

DONG Qi，QIN Zhen，HU Liang，ZHUANG Liu-jing，ZHANG Bin，and WANG Ping
（Biosensor National Special Laboratory，Key Laboratory of Biomedical Engineering of National Education Ministry，Department of Biomedical Engineering，Zhejiang University Hangzhou 310027）

Mammalian olfactory systems have merits of higher sensitivity，selectivity and faster response than current electronic nose systems based on chemical sensor array in odor recognition.The purpose of this study is to develop a biomimetic olfactory sensing system based on brain-machine interface technology for odor detection in vivo electrophysiological measurements of olfactory bulb.In this work，extracellular potentials of mitral/tufted cells in olfactory bulb were recorded by implanted 16-channel microwire electrode arrays.The odor-evoked response signals were analyzed.We found that neural activities of different neurons showed visible different firing patterns in both temporal features and rate features when stimulated by different small molecular odorants.Odors were classified by an algorithm based on population vector similarity and support vector machine.The results suggest that the novel bioelectonic nose is sensitive to odorant stimuli.With the development of BMI and olfactory decoding methods，we believe that this system will represent emerging and promising platforms for wide applications in medical diagnosis and security fields.

brain-machine interface；odor discrimination；olfactory bulb；olfactory decoding

TP212.3

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2015.05.026

2013-12-21；

2014-10-17

國家自然科學(xué)基金（61320106002）；高校博士點基金（20120101130011）

董琪（1986-），男，博士，主要從事嗅覺信號分析和嗅覺解碼方面的研究.