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生物嗅觉系统对气味具有较高的辨识度,在气味识别速度、气味识别精度上远远超过目前基于化学传感器阵列构建的电子鼻系统。但如何将生物嗅觉应用于实际的气味检测中,仍然存在着很大的挑战。气味分子在动物鼻腔中与嗅觉感受细胞作用后,化学信息转变成生物电信号传导至嗅觉信息处理的中转站—嗅球。通过嗅球对气味信息的处理整合,嗅觉信息进一步传递给大脑皮层中嗅觉相关的皮层,实现气味认知。其中,嗅球被认为是嗅觉初级中枢,对嗅觉形成起到了关键的作用。理解嗅球的气味认知机制,在嗅觉信息处理和实际气味检测中都具有重要意义。目前,对于气味刺激产生的嗅球细胞响应记录主要采用膜片钳技术和光学成像技术。膜片钳技术不能实现多点同步测量,缺乏大量神经细胞协同作用的信息,而光学成像技术背景噪声大,成像精度仍较难突破。因此,采用植入式微电极阵列传感器对嗅球电生理信号进行长时程、多点同步的监测与分析,有利于理解嗅球细胞群的信息处理,实现生物电子鼻的设计。本文对嗅觉系统多个层次的细胞进行了基于电生理数据的细胞建模与仿真,设计了基于植入式传感器的在体嗅球僧帽细胞气味刺激响应记录与分析平台,分析了嗅球僧帽细胞群气味响应模式。结合生物学和工程学手段,构建新型的生物电子鼻系统实现气味识别。本论文的主要内容和贡献如下：1.对嗅觉系统多个层次的细胞进行建模仿真。利用电生理信号建立了基于电压门控通道的嗅觉感受细胞电生理模型,并仿真了嗅觉感受细胞受到刺激时引起细胞动作电位的发放。仿真了僧帽细胞电生理模型。探索了嗅觉系统模型对嗅觉生理现象的仿真,并结合生理实验测得的数据对模型参数进行了优化。2.设计了麻醉大鼠嗅觉气味响应研究系统。该系统包括气味刺激装置、呼吸信号记录装置、电生理信号记录装置、记录电极的制备平台和数据分析平台。详细描述了大鼠的手术流程与电极植入过程,并对嗅球切片进行染色,验证电极植入位置。3.提出了短时程气味刺激下大鼠的快速气味感知,实现了时间依赖性的气味分类。采用细胞群脉冲发放矩阵模式分析法,在特征空间中绘制了僧帽细胞群对气味刺激的空间响应曲线,表明麻醉大鼠在短时程气味刺激后的第一个呼吸周期内就完成了对气味的感知。选取细胞发放相似时间段内同步记录的僧帽细胞群脉冲发放特征,用主成分分析方法实现了对五种气味的分类。4.提出基于僧帽细胞层场电位信号的生物电子鼻设计。低频场电位信号稳定且容易获取,在不同气味刺激下功率谱能量分布存在差异。使用K最邻近分类算法对多窗法谱估计得到的四种气味刺激时频图进行分类,在信号伽马频段(40-120Hz)得到77.4%的分类准确率。