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味觉细胞传感器设计及其在味觉时空信息分析中的应用

作　者: 张威
导　师: 王平
学　校: 浙江大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 味觉细胞传感器味觉时空信息处理相容性设计信息编码味觉神经网络
分类号: R318.6
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

味觉是人体重要的生理感觉,五种基本味道分别为酸、咸、苦、甜和鲜。溶解于唾液中的味觉物质被口腔中的味觉细胞捕获,产生特异性味觉响应。味觉响应信息经过外周系统和中枢系统的时空整合和处理,最终产生味觉。分子生物学和脑成像等现代科学技术的进步大大推动了味觉研究的发展。以往味觉电信号的获取一直依赖于有创的方式,直接对味觉细胞或神经纤维进行记录,而且同步记录的位点非常有限。本研究基于光寻址电位传感器(light addressable potentiometric sensor, LAPS)和微电极阵列传感器(microelectrode array, MEA)构建了味觉细胞传感器,采用无损的胞外记录方式,实现对味觉受体细胞和味觉神经网络的实时检测。着重分析了酸敏感细胞对pH变化的机理,建立了全细胞胞外模型。在MEA上成功培养了味觉神经网络,并利用MEA多通道同步记录,进一步研究了味觉信息在外周及中枢味觉系统的时空传导过程。本论文的主要内容和贡献如下：1、提出了味觉细胞传感器相容性设计方法。针对味觉单细胞和神经网络在传感器上的固定提出新方案。利用自组装单分子层(self-assembled monolayer, SAM)技术修饰MEA表面,可以有效的引导细胞生长在目标测试部位。微接触印章(microcontact printing, MCP)技术可用于在传感器表面固定神经网络,人工诱导细胞网络图形化生长。使用循环伏安法、交流阻抗测试以及荧光标记等手段对修饰后的表面进行评估,表明修饰后的传感器表面具有良好的生物相容性,能维持细胞生理活性,可定向诱导细胞生长。2、深入研究了味觉受体细胞在传感器上的培养和固定。在LAPS仿生味觉芯片的基础上,记录了味觉初级感受细胞对混合味质刺激的响应信号,表明了味觉受体细胞对溶于水中的酸、甜、苦、咸和鲜等味质具有特异性响应,发现了在7-10 Hz存在味觉特征响应频率。3、进一步发展和完善了味觉细胞模型。在酸敏感通道ASIC和PKDL独立模型的基础上建立酸敏感细胞的全细胞模型,并利用全细胞模型仿真细胞在不同pH的盐酸刺激下的响应。成功将Ⅲ型味觉细胞培养于MEA芯片表面,并使用不同的酸刺激,记录到了细胞对不同浓度酸溶液的响应,并与全细胞模型仿真结果进行比较,对模型进行说明。4、实现了味觉神经网络传感器的设计和味觉信息的时空分析。在MEA器件表面成功固定了味觉神经组织,记录并分析其在神经递质5-HT刺激下的响应。利用MCP技术进一步人工诱导味觉中枢神经细胞在离体条件重建神经细胞网络。使用多通道MEA同步记录备节点神经元细胞对神经递质5-HT的响应,进一步分析了味觉信息在味觉中枢神经系统的时空传导和信号处理过程。本论文利用SAM和MCP技术在传感器上有效地引导味觉细胞和味觉神经细胞网络的生长,为味觉外周系统和中枢系统信息传导的研究提供了有效的手段。

味觉细胞传感器设计及其在味觉时空信息分析中的应用

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