神奇的嗅觉

1.人类的嗅觉

今天我们来聊一聊人类的嗅觉，嗅觉是人体感官中的重要一种感觉，嗅觉器官可以让我们识别周围环境的气味。嗅觉产生的信息既有让人愉悦的，也有让人讨厌的。嗅觉和味觉相互协调，帮助我们识别食物，增加我们对食物的感受。

同时嗅觉也能提醒我们对潜在的有害物质或场所的警觉。气味也是一种通讯模式，它们可以被用来标记领域，辨认个体以及外来入侵者。以嗅觉而言，坏消息可能比好消息更多，据统计人类可以闻出几十万种物质，而其中只有20%闻起来令人愉悦。

我们并不是用鼻子实现嗅觉，我们实际上是用的鼻腔上部一小层称为嗅上皮的细胞实现嗅觉。嗅觉就是识别气体，在研究人体是如何实现嗅觉之前，我们先来看看目前人类在气体检测仪器中使用了哪些技术用于实现气体测量。

2.嵌入式领域中气体检测的实现
在仪器仪表行业中的气体检测仪器通常分为两大类：手持仪表和在线仪表。它们的大致如下图：

手持仪表和在线仪表只是它们的表现形式不同，它们气体测量的原理大致都是相同的，目前气体测量行业内常用的气体测量传感器为：电化学气体传感器、半导体气体传感器和光学气体传感器。

电化学传感器

电化学传感器中含有特殊的电解液，同时有一个被电解液浸湿的电极，当被探测的目标气体（比如氧气、二氧化碳）进入传感器内与电解液发生化学反应时，电极在催化剂作用下产生微弱电流，微电流的强度和气体浓度成比例关系。

传感器输出的电流经过放大器放大，放大后的电流信号经过转换和计算最终得到目标区域的气体浓度。电化学传感器的基本使用电路原理图如下：

半导体式气体传感器

半导体气体传感器的工作原理是，气体在半导体表面的氧化还原反应后，导致敏感元件电阻值发生变化，我们根据电阻值变化计算气体浓度。

半导体气体传感器中的半导体器件被加热到稳定状态，当被目标气体接触半导体表面时被吸附时，被吸附的气体分子在器件表面自由扩散，一部分气体分子被蒸发掉，另一部分气体分子产生热分解吸附在半导体表面，吸附在半导体表面的分子将从半导体器件中夺走电子变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷，从而使半导体阻值发生变化。 导体气体传感器的基本使用电路原理图如下：

光学式气体传感器

光学式气体传感器使用光学原理进行气体测量，包括红外吸收型、光谱吸收型、荧光型、光纤化学材料型等，还有化学发光式、光纤荧光式和光纤波导式等。主要以红外吸收型气体分析仪为主，由于不同气体的红外吸收峰不同，通过测量和分析红外吸收峰来检测气体。

光学式气体传感器主要以红外吸收型气体分析仪为主，由于不同气体的红外吸收峰不同，通过测量和分析红外吸收峰来检测气体。被吸收的光与光通过媒介的通道长度以及吸收物质的浓度成正比，这一原则适用于气体或液体。

光学式气体传感器的基本电路原理图如下：

传感器对比

对比以上3种传感器的优缺点：

接下来我们看看人类嗅觉是如何实现，是否采用了以上3种传感器原理。

3.人类嗅觉功能实现

前面介绍了3种不同的气体测量原理，接下来我们来看看人类的嗅觉实现的原理。我们依靠鼻腔上部一小层称为嗅上皮的细胞实现嗅觉，嗅皮层有3种主要细胞组成。嗅觉感受器是神经元，它们的轴突直接进入中枢神经。

嗅觉感受器神经元
嗅觉感受器神经元具有单个细小的树突，终止与上表皮层的一个小结节上，这个结节位于黏液层，溶解在黏液中的嗅质与纤毛表面结合，激活转导过程。

嗅觉感受器只有一种转导机制，所有的转导分子均在纤毛内，嗅觉通路可以归纳为如下：

嗅觉感受器细胞的转导机制如下图：

味觉和嗅觉是我们最熟悉的化学器官，但是它们并不是我们唯一的化学器官，在我们体内有许多的化学敏感细胞，我们称之为化学感受器。
我们每个人都拥有大约1000种不同类型嗅觉感受器细胞，换句话说就是每个人有大约1000种不同类型的化学传感器。我们可以利用这1000种嗅觉感受器细胞识别几万种味道，从这个层面上来讲我们每个人都是一个生化专家。

嗅觉信息处理

我们有大约1000种嗅觉感受器细胞，嗅觉感受器层分为几大区域，每个区域由一组不同的感受器细胞组成，不同类型的感受器细胞是随机分布的。那么1000种随机分布的嗅觉感受器细胞是如何对几万种味道进行识别的呢？
嗅觉信息处理采用了以下3种技术：

1、嗅觉的群体编码
2、嗅觉投射图
3、嗅觉时间编码

嗅觉的群体编码
我们嗅觉系统根据大量的感受器的响应来对一个特殊的刺激进行编码，这种技术我们称之为群体编码。在群体编码系统中大量广谱的反应神经元，而不是少量精确的神经元，被用于对一个特定刺激的特定进行识别。

嗅觉投射图
各种感受器细胞的轴突与嗅球中的特定小球形成突触，如此在嗅质刺激下有响应的神经元便产生了一个感觉投射图，根据这个投射图，嗅觉的特定位置的神经元对某个特殊的气味有反应。因此一种特定化学物质的气味被转化成嗅球“神经空间”内特定的投射图，而投射图的形式有嗅质的自然属性及浓度决定。
下图是虎蝾螈嗅球在不同嗅质诱发嗅球内神经元活动的不同空间模式：a是香蕉，b是柑橘，c是菠萝。

嗅觉时间编码
感放电时间是嗅觉编码的基本特征，依赖峰电位时间的时间编码，用于编码气味的质量。通过对不同细胞群之间的放电时间细节差的分析显示，气味信息是由放电的数量、时间模式、节律性和细胞间的同步性来编码的。
下图是苹果的气味在9个嗅觉神经元上引起的不同时序的放电模式。

4.从嵌入式角度看嗅觉信息处理

嗅觉群体编码
群体编码技术类似我们现在的“大数据分析”，使用群体编码技术我们只用关注整体数据，不需要关注单个数据。

大数据分析主要依托计算机根据海量数据，套入算法和工具做分层建模，最终得到可视化结论。大数据分析还跟数学、概率学等相关。

嗅觉投射图
投射图技术类似我们现在的图形分析技术，这种技术将一种信号转换为一种图形，通过识别图形进而识别信号。
这种技术就类似目前的光谱分析技术，光谱分析技术可以将一种物质转换成一种光学图谱，我们根据图谱可以反推出物质。下图是甲醇和乙醇用拉曼光谱仪分析出的图谱。

5.参考资料

1、《神经科学——探索脑》 —— Mark F. Bear、Barry W. Connors、Michael A. Paradiso
2、《微电子概论(第2版)》 —— 郝跃、贾新章、董刚、史江义
3、《计算机与人脑》—— 冯·诺意曼
4、《光电二极管及其放大电路设计》——Jerald Graeme

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