2012年的一个星期天，ScottMoorehead在教他6岁的儿子玩滑板时摔倒在地。“我的后脑勺首当其冲，”他说。他在重症监护室呆了三天，医生在那里治疗了多处颅骨骨折、大量内出血和大脑额叶损伤。几周和几个月后，Moorehead的听力恢复了，他的头痛消失了，他的不安和困惑也消失了，但他再也没有恢复嗅觉。事故永久性地切断了从摩尔黑德的鼻子到大脑底部嗅球的神经。除了嗅觉，他还失去了基本的味觉。“味道主要来自气味，”他解释道。“我的舌头只能感知甜、咸、辣和苦。你可以蒙住我的眼睛，把10种口味的冰淇淋放在我面前，我不知道它们的区别：它们尝起来都有点甜，除了巧克力是一种有点苦。”穆尔黑德深受其害：除了食物的味道，他还想念亲人特有的气味。有一次，直到他的妻子回家并报了警，他才注意到煤气泄漏。Moorehead的疼痛并不是独一无二的，嗅觉丧失不仅可能由头部受伤引起，还可能由接触某些毒素和各种医疗问题引起，包括肿瘤、阿尔茨海默氏症和COVID等病毒性疾病。嗅觉通常也会随着年龄的增长而衰退。在2012年对1,200多名成年人进行嗅觉检查的研究中，80岁及以上的参与者中有39%有嗅觉障碍。自大流行开始以来，嗅觉和味觉丧失一直是COVID的主要症状。因COVID引起的嗅觉丧失的人现在只有三种选择：等待，看看感觉是否会自行恢复，服用类固醇药物以减轻炎症并可能加速康复，或者开始重新测试，让他们自己接触一些熟悉的气味每天闻一闻，促进鼻腔和脑神经的恢复。如果患者寻求药物治疗并在症状出现后的几周内康复，通常会奏效。但即便如此，这些干预措施也并非对所有人都有效。2020年4月，弗吉尼亚联邦大学嗅觉和味觉诊所的研究人员对诊断出患有COVID的成年人发起了一项全国调查，以确定与嗅觉相关的症状的发生率和持续时间。他们定期跟进这些人，去年八月他们在初步诊断两年后发布了结果。结果令人震惊：38%的人报告嗅觉和味觉完全恢复，54%报告部分恢复，7.5%报告完全没有恢复。“这是一个严重的生活质量问题，”VCU诊所主任EvanReiter说。重生嗅觉虽然一些研究人员正在研究生物学方法，例如使用干细胞来再生气味受体和神经，但理查德·科斯坦佐认为硬件植入物是完全失去嗅觉的人的唯一解决方案。“当这些途径真的不起作用时，你必须用技术取而代之，”他说。Costanzo是生理学和生物物理学名誉教授，他于1980年代创立了VCU的嗅觉和味觉障碍中心，这是该国首批此类诊所之一。经过多年对嗅觉丧失的研究和对生物再生可能性的调查，他在1990年代开始研究硬件解决方案。他开发了电子鼻原型：一种用于嗅觉的神经假体，电子鼻传感器将信号传输到从人工耳蜗中取出的小电极阵列。对于有听力损失的人，植入物将有关声音的信息输入内耳，然后输入大脑。植入物的大小也适合大脑边缘部分的嗅球。那么，它是否也可以用来传达有关气味的信息呢？与大多数嗅觉丧失患者不同，当医生告诉他无法恢复嗅觉时，摩尔海德并没有放弃。作为一家在43个州设有门店的手机零售公司的首席执行官，他有资源投资于长期研究。当一位同事告诉他他在VCU的工作时，他取得了联系并提供了研究经费。自2015年以来，Moorehead已投入近100万美元用于这项研究。他还从VCU获得了技术许可，并创办了一家名为SensoryRestorationTechnologies的初创公司。当COVID袭来时，Moorehead看到了机会。他很快为这家初创公司建立了一个网站，尽管他们还远未推出产品来做广告。“人们正在失去嗅觉。人们需要知道我们的存在！”嗅觉是如何工作的不仅是嗅觉，其他感官（例如听觉）也存在等效的神经假体。人工耳蜗是迄今为止最成功的神经技术，全世界有超过700,000台设备植入耳朵。与此同时，已经有研究机构在为盲人开发视网膜植入物，但嗅觉和味觉一直被认为是一项艰巨的挑战。要理解其中的原因，首先要了解人类嗅觉系统奇妙的复杂性。当玫瑰的香味飘进你的鼻孔时，气味分子会与感受器神经元结合，感受器神经元会向嗅觉神经发送电信号。这些神经穿过骨板到达嗅球，这是前脑中的一个小神经结构。信息从那里传到杏仁核，这是大脑中控制情绪反应的部分。海马体，一种与记忆相关的结构；和负责认知处理的额叶皮层。进入鼻子的气味分子与嗅觉感受器细胞结合，嗅觉感受器细胞通过筛板的骨骼向嗅球发送信号。从那里，信号被发送到大脑。这些分支的神经连接是气味有时如此强烈的原因，让人想起快乐的回忆或创伤事件。“嗅觉系统可以进入其他感官无法进入的大脑部分，”科埃略说，大脑连接的多样性也表明，刺激嗅觉系统可能还有其他用途，远远超出了欣赏食物或注意到气体泄漏的范围：“它可能会影响情绪、记忆和认知。”生物系统难以复制有几个原因。人类鼻子有大约400种不同类型的受体来检测气味分子。这些受体协同工作，使人类能够区分数量惊人的气味：2014年的一项研究估计这个数字为1万亿.将400个传感器放在一个芯片上并将其连接到用户的眼镜上到目前为止是不切实际的。此外，研究人员还没有完全理解刺激某些受体组合的嗅觉代码，这些受体会导致大脑感知气味。幸运的是,Costanzo和Coelho知道可以解决这两个问题的人。电子鼻和大脑刺激研究的进展今天，电子鼻用于各种工业、办公室和住宅环境——如果你家里有一个典型的一氧化碳探测器，你有一个非常简单的电子鼻。“传统的气体传感器基于金属氧化物等半导体，”KrishnaPersaud解释道，他是一名英国曼彻斯特大学首席电子鼻研究员和化学感受学教授。他是Costanzo和Coelho的顾问。在最典型的电子鼻装置中，“当分子与半导体材料相互作用时，电阻会发生变化，你可以测量到这一点，”Persaud说。Persaud说，在过去的二十年里，这种传感器一直在缩小，现在它们只有微芯片那么大。“这使得它们装在一个小包装中非常方便，”他说。在VCU团队的早期实验中，他们使用了一家名为Figaro的日本公司的现成传感器。Persaud说，这种商用传感器的问题在于它们无法区分许多不同的气味。这就是为什么他一直在研究新材料，例如制造成本低、功率低并且可以组合成阵列以提供对多种气味的敏感性的导电聚合物。对于神经假体，“原则上，数百个[传感器]是可行的，”Persaud说。第一代不允许用户闻到数百种不同的气味。相反，VCU团队最初设想包括一些与安全相关的气味（例如烟雾和天然气）以及一些令人愉悦的气味的受体。他们甚至可以定制假肢，为用户提供对他们有意义的气味：例如，适合家庭面包师的面包，或适合狂热徒步旅行者的松树林。将这种电子鼻技术与最新的神经技术相结合，是Costanzo和Coelho目前面临的挑战。在与Persaud合作测试新传感器的同时，他们还与波士顿的临床医生合作，研究向大脑发送信号的最佳方式。VCU团队通过动物实验奠定了基础。在2016年和2018年的老鼠实验中，该团队表明，使用电极直接刺激嗅球表面的斑点会在嗅球深处产生神经活动模式，从而将信息传递到大脑的其他部位。研究人员将这些模式称为气味图。但是，虽然神经活动表明老鼠正在感知某些东西，但老鼠无法告诉研究人员它们闻到的是什么。耳鼻喉科医生EricHolbrook经常与需要在鼻窦腔内进行手术的患者一起工作。他帮助VCU团队进行了初步的临床试验。他们的下一步是招募可以对人类志愿者进行类似试验的合作者。他们从Costanzo以前的学生之一Holbrook开始，他是哈佛医学院耳鼻喉科副教授和马萨诸塞州眼鼻诊所的主任。Holbrook的大部分时间都花在人类鼻窦腔手术上，包括位于筛板下方的筛腔，筛板是将嗅觉感受器与嗅球分开的骨骼结构。霍尔布鲁克在2018年发现，将电极放在骨头上会向嗅球发送电脉冲。在对有意识的患者进行的试验中，五分之三的志愿者报告了在这种刺激期间的嗅觉感知，报告的气味包括“洋葱”、“防腐剂和酸味”和“水果味”。但它闻起来并不好”。虽然霍尔布鲁克认为该试验是嗅觉植入物概念的一个很好的证明，但他说通过骨骼的不良传导是一个重要的限制因素。“如果我们要提供离散的，独立的区域刺激，”他说，“它不能穿过骨头，它需要在嗅球本身上。”在嗅球上放置电极将是一个新的领域。“理论上，”Coelho说，“有一个有很多不同的方法可以到达那里。”外科医生可以向下穿过大脑，从侧面穿过眼窝或向上穿过鼻腔，穿过筛板到达球根。科埃略解释说，鼻外科医生通常会进行低风险手术这涉及破坏筛板。“新的不是如何到达那里或之后清理，”他说，“而是如何将异物保留在那里而不会造成问题。神经外科医生马克·理查森(MarkRichardson)的癫痫患者在住院期间自愿参加一项神经科学研究，使用植入的电极进行大脑监测。另一种策略是完全跳过嗅球，而是刺激大脑从嗅球接收信息。信号的“下游”部分。支持这种方法的是MarkRichardson，他是Holbrook的前学生和麻省总医院功能神经外科主任。Richardson经常将癫痫患者留在医院数天，他们的大脑中装有电极，这使医生能够确定癫痫发作涉及哪些大脑区域并计划手术治疗。然而，在这些患者等待的同时，他们经常被招募进行神经科学研究。为了促进Costanzo和Coelho的研究，Richardson的团队要求监测单元中的癫痫患者闻一根带有薄荷、鱼或香蕉等气味的棍子。他们大脑中的电极显示神经出现在“我们预期的区域和我们没有预期的区域，”理查森说。活动模式。为了更好地了解大脑的反应，他的团队刚刚开始使用一种叫做嗅觉计的工具进行另一轮实验，这种工具可以更精确地定时释放气味。一旦研究人员知道薄荷气味会激活大脑的哪个位置，他们就可以尝试单独对这些区域进行电刺激，以期产生相同的感觉。“而不是通过嗅球刺激，”理查森说。他指出，已经有批准用于大脑刺激的植入物，并建议使用这种设备会使调节通路更容易。然而，大脑内气味感知的分布式特性带来了一个新的并发症：用户可能需要多个植入物来刺激不同的区域。“我们可能需要快速连续或同时访问不同的站点，”他说。商业化之路在欧洲，欧盟正在资助自己的嗅觉植入项目，称为ROSE（在气味缺陷中恢复气味检测和识别）。它于2021年开始，涉及欧洲的七个机构。Thomas是德累斯顿工业大学嗅觉和味觉诊所的负责人，也是Hummel财团的成员，他说ROSE研究人员正在与法国公司Aryballe合作，该公司制造用于气味分析的微型传感器。合作伙伴目前正在试验刺激嗅球和前额叶皮层。“该设备所需的所有部件都已经在那里，”他说。“困难在于将它们聚集在一起。Hummel估计该联盟的研究可能会在5到10年内产生商业产品。“这是一个努力和资金的问题，”他说。电子鼻专家Persaud表示，神经假体是否具有商业可行性尚无定论。“一些患有嗅觉丧失症的人会不惜一切代价让他们恢复那种感觉，”他说。“问题是是否会有足够的人为这种设备创造市场，”他说，因为手术和植入物总是存在一定的风险。VCU研究人员与美国食品和药物管理局的监管机构举行了非正式会议，因为他们开始了批准植入式医疗设备的早期步骤。但Moorehead是一位倾向于关注实际问题的投资者，他表示，梦之队可能不会将这项技术一直带到FDA批准的商业系统的终点线。他指出，许多现有的医疗植入公司都具备这方面的专长，例如在人工耳蜗市场占据主导地位的澳大利亚公司Cochlear。“如果我能让[项目]达到对其中一家公司有吸引力的阶段，如果我能为他们承担一些风险，那是我能做的最好的，”摩尔黑德说。Costanzo说，恢复人们的嗅觉和味觉能力是最终目标。但在那之前，他还有别的东西可以给他们。他经常接到绝望、失眠的人打来的电话，他们看到他的作品。“他们非常感谢有人正在研究解决方案，”Costanzo说。“我的目??标是给这些人带来希望。”资料来源：https://spectrum.ieee.org/covid-smell-prosthetic
