有了这个仿生鼻子，COVID幸存者可能又能闻到玫瑰了

理查德·科斯坦佐站着旁边有一副戴着电子设备的运动眼镜，拿着一瓶蓝色液体对着一个微型传感器的人体模型。一个LED发出蓝光，科斯坦佐的手机上显示着“Windex”字样。然后，他挥舞着一瓶紫色液体，就会看到一道紫色的光，上面写着“李斯德林”。

“最终的模型上不会有透明胶带，”他说使用，他正在实验室里重新布置设备弗吉尼亚联邦大学(VCU)，在里士满。这个原型是他研究了几十年的一个概念的部分演示:嗅觉神经义肢。人体模型代表了一个失去嗅觉的人新型冠状病毒肺炎脑损伤或其他疾病。它还打算展示传感器，这是用于商业电子鼻的同一类型电子鼻．在最终的产品中，传感器不会点亮LED灯，而是向用户的大脑发送信号。

在实验室后面的房间里，另一个模型展示了这个概念的后半部分:在那里，电子鼻传感器将它的信号传输到一个小的电极阵列，这个电极阵列取自一种植物人工耳蜗植入．对于听力受损的人来说，这种植入物将声音信息输入内耳，然后输入大脑。植入物的大小也和大脑边缘的嗅球差不多。为什么不用它来传达气味的信息呢?

科斯坦佐是生理学和生物物理学的名誉教授，他在20世纪80年代与人共同创立了弗吉尼亚州立大学，这个项目可能是他职业生涯的一个成就嗅觉和味觉障碍中心，这是国内首批此类诊所之一。在对嗅觉丧失和生物再生可能性进行了多年研究后，他在20世纪90年代开始研究硬件解决方案。

科斯坦佐自称是电子迷，他很喜欢用传感器和电极做实验。亚博排列五投注网站但这个项目真正开始是在2011年，当时他开始与他的同事交谈丹尼尔·科埃略他是弗吉尼亚州立大学耳鼻喉科教授，也是人工耳蜗植入专家。他们立刻意识到，嗅觉假肢可能类似于人工耳蜗植入:“它从物理世界中获取一些东西，并将其转化为电子信号，战略性地针对大脑，”科埃略说。2016年，这两位研究人员获得了美国专利olfactory-implant系统．

科斯坦佐的探索在2020年初突然变得更加重要，当时许多患有COVID-19新疾病的患者意识到他们失去了嗅觉和味觉。大流行已过去三年，其中一些患者仍未恢复这些官能。当你也考虑到那些由于其他疾病、脑损伤和衰老而失去嗅觉的人时，这项小众技术开始看起来像一个可行的产品。再加上科斯坦佐和科埃略的其他合作者——包括英国的一位电子鼻专家、波士顿的几位临床医生和印第安纳州的一位商人——你就有了一个梦想团队，他们可能会实现这一目标。

科斯坦佐说，他对炒作很谨慎，不想给人们留下这样的印象，即商业设备随时都会上市。但他确实想给人们带来希望。目前，该团队正专注于让传感器探测多种气味，并找出与大脑交互的最佳方法。亚博排列五投注网站科斯坦佐说:“我认为我们还需要几年时间才能解决这些难题，但我认为这是可行的。”

人是怎么失去嗅觉的

斯科特·摩尔海德(Scott Moorehead)在一次头部受伤后失去了嗅觉，他开始支持嗅觉假肢技术的研究。圆形的房间

斯科特Moorehead只是想要教他六岁的儿子玩滑板。2012年的一个周日，他在印第安纳州家中的车道上演示一些动作时，滑板撞上了一条裂缝，把他甩了下去。他说:“我的后脑勺承受了坠落的冲击。”他在重症监护室住了三天，医生为他治疗了多处颅骨骨折、大量内出血和大脑额叶损伤。

几周或几个月后，他的听力恢复了，头痛也消失了，他的易怒和困惑也消失了。但他再也没有恢复嗅觉。

摩尔黑德的事故导致从鼻子到大脑底部嗅球的神经永久断开。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。“我的舌头只会甜、咸、辣、苦。你可以蒙上我的眼睛，把10种口味的冰淇淋放在我面前，我不知道有什么区别:它们吃起来都有点甜，只有巧克力有点苦。”

摩尔黑德变得沮丧起来:比起食物的味道，他更想念他所爱的人身上独特的气味。有一次，他没有注意到煤气泄漏，直到他妻子回家并发出警报，他才意识到危险。

嗅觉缺失症这种症状不仅可能是由头部损伤引起的，还可能是由暴露于某些毒素和各种医疗问题引起的，包括肿瘤、阿尔茨海默氏症和病毒疾病，如COVID。嗅觉也通常随着年龄的增长而萎缩;在2012年的一项研究1200多名成年人接受了嗅觉测试，其中39%的80岁及以上的参与者有嗅觉功能障碍。

自大流行开始以来，嗅觉和味觉丧失一直是COVID的主要症状。目前，患有covid - 19诱导的嗅觉丧失症的人只有三个选择:等待，看看感觉是否会自己恢复，要求服用类固醇药物，以减少炎症并可能加速恢复，或者开始治疗气味康复在这种方法中，他们每天让自己接触一些熟悉的气味，以促进鼻-脑神经的恢复。通常情况下，如果患者在出现症状的几周内，在疤痕组织形成之前寻求药物治疗和康复，他们的效果会最好。但即便如此，这些干预措施也不是对每个人都有效。

2020年4月，弗吉尼亚州立大学嗅觉和味觉诊所的研究人员对被诊断患有COVID的成年人展开了一项全国性调查，以确定与嗅觉相关症状的患病率和持续时间。他们定期对这些人进行随访，今年8月，他们公布了最初诊断后两年的患者的结果。的发现令人惊讶的是:38%的人报告嗅觉和味觉完全恢复，54%的人报告部分恢复，7.5%的人报告根本没有恢复。“这是一个严重的生活质量问题，”他说埃文Reiter他是弗吉尼亚州立大学诊所的主任。

虽然其他研究人员正在研究生物方法，例如使用干细胞再生气味感受器和神经，但科斯坦佐认为硬件方法是完全丧失嗅觉的人的唯一解决方案。他说:“当道路真的无法使用时，你必须用技术来取代它们。”

与大多数嗅觉丧失症患者不同的是，当医生告诉斯科特·穆尔黑德已经无法恢复嗅觉时，他并没有放弃。作为一家公司的CEO手机零售公司他的商店遍布43个州，他有足够的资源投资于可能性不大的研究。当一个同事告诉他弗吉尼亚州立大学的工作时，他联系了我并表示愿意帮忙。自2015年以来，穆尔黑德已投入近100万美元用于这项研究。他还从弗吉尼亚州立大学获得了这项技术的授权，并成立了一家名为Sensory Restoration Technologies的初创公司。

当新冠肺炎来袭时，穆尔黑德看到了一个机会。虽然他们还远没有什么产品可以宣传，但他还是忙着张贴广告网站对于创业公司来说。他记得自己说过:“人们正在丧失嗅觉。人们需要知道我们的存在!”

嗅觉是如何工作的

等效的神经修复术已经存在其他感官。人工耳蜗植入是迄今为止最成功的神经技术超过70万台设备植入世界各地的耳朵。视网膜植入物已经为盲人开发出来了(虽然有些仿生视觉系统有商业上的麻烦)，研究人员甚至正在努力恢复患有这种疾病的人的触觉假肢而且麻痹．但是嗅觉和味觉一直被认为是一个太难的挑战。

要理解其中的原因，你需要了解人类嗅觉系统的不可思议的复杂性。当玫瑰的气味飘进你的鼻腔时，气味分子与受体神经元结合，向嗅觉神经发送电信号。这些神经通过骨板到达嗅球，嗅球是前脑的一个小神经结构。从那里，信息会进入杏仁核，杏仁核是大脑中控制情绪反应的部分;海马体是一种与记忆有关的结构;以及处理认知过程的额叶皮层。

进入鼻子的气味分子与嗅觉受体细胞结合，嗅觉受体细胞通过筛板骨发送信号，到达嗅球。从那里，信号被发送到大脑。James Archer/Anatomy Blue

这些分支神经连接就是为什么气味有时会产生如此大的冲击力，让人想起快乐的记忆或创伤性事件。科斯坦佐说:“嗅觉系统可以接触到大脑中其他感官无法接触到的部分。”科埃略说，大脑连接的多样性也表明，刺激嗅觉系统可能有其他用途，远远超出欣赏食物或注意到气体泄漏:“它可能会影响情绪、记忆和认知。”

由于一些原因，生物系统难以复制。人的鼻子大约有400种不同类型的感受器来检测气味分子。在这些受体的共同作用下，人类能够分辨出数量惊人的气味:2014年的一项研究估计，这一数字为1万亿年．到目前为止，将400个传感器安装在连接到用户眼镜上的芯片上还不现实。亚博排列五投注网站更重要的是，研究人员还没有完全理解刺激某些受体组合导致大脑感知气味的嗅觉密码。幸运的是，Costanzo和Coelho认识正在研究这两个问题的人。

电子鼻和大脑刺激的进展

电子鼻子已经使用今天，在各种工业、办公室和住宅环境中，如果你家里有一个典型的一氧化碳探测器，那么你有一个非常简单的电子鼻。

克里希纳·佩尔绍德(Krishna Persaud)是弗吉尼亚联邦大学电子鼻传感器团队的顾问。亚博排列五投注网站曼彻斯特大学

“传统的气体传感器是基于金属氧化物亚博排列五投注网站等半导体，”他解释道克里希纳Persaud他是一位著名的电子鼻研究人员，也是英国曼彻斯特大学化学接收学的教授。他也是科斯坦佐和科埃略的顾问。他说，在最典型的电子鼻设置中，“当分子与半导体材料相互作用时，就会发生可以测量的电阻变化。”佩尔绍德说亚博排列五投注网站，这种传感器在过去20年里一直在缩小，现在只有微芯片那么大。他说:“这使得它们放在一个小包装中非常方便。”在VCU团队的早期实验中，他们使用了一个来自日本公司的现成传感器费加罗．

佩尔绍德说，这种市面上可以买到的传感器的问题是，它们不能区分很多不同的气味。亚博排列五投注网站这就是为什么他一直在研究新材料，比如制造成本低、功耗低、可以组合成阵列的导电聚合物，以提供对数十种气味的灵敏度。对于神经义肢，“原则上，几百个(传感器)是可行的，”佩尔绍德说。亚博排列五投注网站

第一代产品不能让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有关的气味的感受器，如烟和天然气，以及一些令人愉快的气味。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，对于家庭面包师来说，面包的气味，或者对于狂热的徒步旅行者来说，松树林的气味。

将电子鼻技术与最新的神经技术相结合是科斯坦佐和科埃略目前面临的挑战。在与Persaud合作测试新型传感器的同时，他们还与波士顿的临床医生合作，研究亚博排列五投注网站向大脑发送信号的最佳方法。

弗吉尼亚州立大学的研究小组通过动物实验奠定了基础。在大鼠实验中2016而且2018研究小组发现，使用电极直接刺激嗅球表面的点，在嗅球深处的神经元中产生了神经活动模式，这些神经元将信息传递给大脑的其他部分。研究人员称这些模式为气味地图。但尽管神经活动表明大鼠在感知某物，老鼠无法告诉研究人员它们闻到了什么。

耳鼻喉科医生埃里克·霍尔布鲁克(Eric Holbrook)经常与需要鼻窦腔手术的病人打交道。他帮助VCU团队进行了初步的临床实验。马萨诸塞州眼与耳

他们的下一步是招募能够在人类志愿者身上进行类似试验的合作者。他们从科斯坦佐以前的一个学生开始，埃里克·霍尔布鲁克她是哈佛医学院耳鼻喉科副教授，也是哈佛大学鼻科主任马萨诸塞州眼与耳．霍尔布鲁克花了很多时间在病人的窦腔，包括筛窦腔它们位于筛板的下方，筛板是一种将嗅觉感受器与嗅球分开的骨结构。

霍尔布鲁克在2018年发现，在骨头上放置电极会将电脉冲传输到嗅球。在一项对清醒患者的试验中，5名志愿者中有3名报告的嗅觉知觉在这种刺激中，报告的气味包括“洋葱般的气味”，“防腐剂般的酸味”和“水果味但不好”。霍尔布鲁克认为这项试验是嗅觉植入系统概念的一个很好的证明，但他说，通过骨骼的不良电导是一个重要的限制因素。“如果我们要提供离散的、单独的刺激区域，”他说，“它不能通过骨头，而需要在嗅球本身上。”

在嗅球上放置电极将是一个新领域。“理论上，”科埃略说，“有很多不同的方法可以达到这个目标。”外科医生可以向下穿过大脑，侧着穿过眼窝，或者向上穿过鼻腔，穿过筛板到达灯泡。科埃略解释说，鼻外科医生经常进行低风险的手术，包括打破筛板。他说:“新的不是如何到达那里或在那里清理，而是如何在不引起问题的情况下将异物留在那里。”

神经外科医生马克·理查森(Mark Richardson)有一些癫痫患者，他们自愿在医院接受植入电极的脑部监测，同时进行神经科学研究。帕特Piasecki

另一种策略是完全跳过嗅球，而是刺激大脑接收嗅球信号的“下游”部分。支持这种方法的是科斯坦佐以前的另一个学生，马克·理查森他是马萨诸塞州总医院功能性神经外科主任。理查森经常让癫痫患者在医院呆上几天，在他们的大脑中植入电极，这样医生就可以确定哪些大脑区域参与了癫痫发作，并计划手术治疗。然而，当这样的病人在等待的时候，他们经常被招募来进行神经科学研究。

为了帮助Costanzo和Coelho的研究，理查德森的团队要求监测单元的癫痫患者闻一根充满薄荷、鱼或香蕉气味的魔杖。理查森说，他们大脑中的电极显示了“在我们预料到的区域，但也在我们没有预料到的区域”产生的神经活动模式。为了更好地理解大脑的反应，他的团队刚刚开始了另一轮实验，他们使用了一种叫做嗅觉计的工具，可以更精确地释放气味。

一旦研究人员知道大脑对薄荷气味的反应会使哪些区域活跃起来，他们就可以尝试单纯用电刺激这些区域，希望能产生同样的感觉。理查森说:“凭借现有的技术，我认为我们更接近于用大脑刺激而不是嗅球刺激来诱导[嗅觉感知]。”他指出，已经批准了用于大脑刺激的植入物，并表示使用这样的设备将使监管路径更容易。然而，大脑中气味感知的分布式特性带来了一个新的难题:使用者可能需要多个植入物来刺激不同的区域。他说:“我们可能需要快速连续地访问不同的网站，或者同时访问。”

商用设备的路径

在大西洋彼岸，欧盟正在资助自己的嗅觉植入项目玫瑰(恢复嗅觉缺陷中的气味检测和识别)。该项目于2021年启动，涉及欧洲的7个机构。

托马斯·胡默尔，处长嗅觉与味觉诊所德累斯顿工业大学的研究员兼该联盟成员之一，他说ROSE的研究人员正在与Aryballe这家法国公司生产一种用于气味分析的微型传感器。合作伙伴目前正在进行刺激嗅球和前额叶皮层的实验。“设备所需的所有部件都已经存在，”他说。“困难在于把他们团结起来。”Hummel估计，该联盟的研究可能会在5到10年内导致一种商业产品。“这是一个努力和资金的问题，”他说。

电子鼻专家佩尔绍德说，神经义肢是否具有商业可行性还没有定论。他说:“一些嗅觉缺失症患者会不惜一切代价让自己找回那种感觉。”他说:“问题是是否有足够多的人在那里为这种设备创造市场。”他说，因为手术和植入总是有一定的风险。

弗吉尼亚州立大学的研究人员已经与美国食品和药物管理局的监管人员举行了非正式会议，他们已经开始了批准植入医疗设备的早期步骤。但穆尔黑德，这位倾向于关注实际问题的投资者说，这个梦之队可能不会把这项技术一直带到fda批准的商业系统的终点线。他指出，目前有很多医疗植入物公司拥有这方面的专业知识，比如这家澳大利亚公司耳蜗该公司主导着人工耳蜗市场。Moorehead说:“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，那将是我最大的努力。”

科斯坦佐说，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。他经常接到失聪症患者打来的电话，他们绝望地发现了他的工作。科斯坦佐说:“他们非常感激有人在努力解决问题。”“我的目标是为这些人提供希望。”

本文发表在2022年11月的印刷版上，题为“重新闻到玫瑰的仿生鼻子”。