《Sensory Neuroscience》：Implantable Brain–Machine Interface for Olfactory Neural Regulation in Bioelectronic Nose: A Review
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嗅觉不仅是一种化学感知系统，更是与情绪、记忆及价值判断高度耦合的神经功能模块。由于嗅觉通路独特的直接皮层投射结构，其损伤无法通过药物或外周修复实现完全恢复，这推动了生物电子鼻的发展。近年来，靶向高阶嗅觉皮层的脑机接口（Brain-Machine Interfa
嗅觉不仅是一种化学感知系统，更是与情绪、记忆及价值判断高度耦合的神经功能模块。由于嗅觉通路独特的直接皮层投射结构，其损伤无法通过药物或外周修复实现完全恢复，这推动了生物电子鼻的发展。近年来，靶向高阶嗅觉皮层的脑机接口（Brain-Machine Interface, BMI）技术已成为嗅觉重建与人工嗅觉生成的重要方向。该技术通过电刺激、生化调控或光遗传调制等方法激活梨状皮层、杏仁核、眶额皮层等区域，绕过受损的外周系统实现气味感知的再现或替代。神经接口材料、无线记录、光遗传学、闭环刺激及深度学习解码等技术的快速发展，使得体内生物电子鼻从概念验证走向功能系统成为可能。本综述系统梳理了嗅觉环路与高阶脑区的调控基础、体内神经记录与刺激技术、信号处理与深度解码方法、典型应用场景，同时提出了未来的路线图建议，可推动嗅觉神经假体从基础研究向临床应用迈进。
1 引言
传统仿生嗅觉系统与电子鼻技术主要聚焦于模拟外周嗅觉受体对气味分子的检测与分类，已广泛应用于环境监测、食品安全及医疗诊断领域。然而，这类系统本质上仍属于化学传感与模式识别范畴，难以复现生物嗅觉系统在复杂环境中的高灵敏度、强泛化能力，以及与情绪、记忆和行为紧密耦合的高级功能，尤其在痕量气体识别、复杂混合气味区分及环境干扰抗性方面仍有提升空间。随着神经工程学的发展，脑机接口已通过直接记录或刺激神经活动实现了听觉、视觉、认知及体感功能的局部人工重建，但嗅觉信号处理缺乏清晰的拓扑结构，呈现出高度分布式与稀疏编码的特征。嗅觉信号不仅在外周结构与嗅球中进行编码，还会在高阶脑中枢经历持续的下行调控，动态调整感知阈值、注意权重与行为意义，这使得嗅觉成为一种高度可塑、强反馈驱动且深度嵌入认知与情绪网络的神经调控系统，也为脑机接口设计提供了独特机遇。不同于仅“读取”气味相关神经活动的研究，这一新兴双向脑机接口领域以嗅觉神经环路为接口，寻求将体内生物电子鼻与神经接口深度融合，通过同步实现神经信号的读取、解码与写入，构建能够直接与大脑嗅觉网络交互的人工系统。这种集成式嗅觉脑机接口系统不仅为植入式仿生嗅觉假体的开发提供了理论与实践基础，也为相关神经退行性疾病的早期筛查与临床康复提供了新路径。
2 嗅觉感知的产生及其高阶脑区神经基础
传统嗅觉感知包含气体分子外周检测、信号传递与初步整合，以及嗅觉相关皮层中枢处理，本部分简要概述嗅觉形成的常规过程。
2.1 气体分子外周检测与嗅球初级整合
空气中的挥发性气味分子经鼻腔吸入，部分到达鼻腔顶部的嗅上皮，该区域包含数百万个嗅觉感觉神经元（Olfactory Sensory Neurons, OSNs）。OSNs细胞膜上的嗅觉受体蛋白可特异性识别一类具有相似化学结构的气味分子，这一过程呈现“一对多”的组合编码特征——单个气味分子可激活多个OSNs，而单个OSN可对多种气味分子产生响应，这种组合编码模式是人类区分数万种不同气味的核心基础。气味分子与嗅觉受体结合后，会启动G蛋白偶联受体（G Protein-Coupled Receptor, GPCR）信号通路，触发级联反应。此外，多种气味分子在与同一嗅觉受体或相关转导过程中相互作用，导致嗅球肾小球层的混合气味响应显著低于线性关系预测值，这种非线性相互作用可能是嗅觉系统编码复杂气味、提升信息传递效率的关键机制。嗅觉受体神经元的轴突汇聚于嗅球并进行信号整合与放大，例如嗅球早期通过局部抑制网络处理气味信号，这一过程被称为“白化”，可实现相似气味的细微区分。嗅球是嗅觉通路中受高阶脑区下行调控最早且最强的节点，也是前馈处理与下行调控交汇的关键枢纽。
2.2 中枢处理：整合嗅觉、情绪与记忆的全脑网络模型
嗅球初步处理后的嗅觉信号直接并行投射至梨状皮层（Piriform Cortex, PC）、眶额皮层（Orbitofrontal Cortex, OFC）、杏仁核、海马等核心脑区，形成跨越皮层与皮下区域的分布式协作处理网络，介导气味分析、情绪关联、记忆整合等高阶认知过程，这种绕过经典丘脑中继的通路结构是嗅觉与情绪-记忆系统强耦合的结构基础。PC是气味身份编码与长时嗅觉记忆存储的核心脑区，通过分布式、稀疏且无拓扑特征的编码生成稳定的气味神经表征，并可通过学习经验驱动的神经元集群可塑性组合活动实现动态重构。近期研究证实，单纯的知觉经验即可快速更新梨状皮层中的嗅觉质量表征，这种经验依赖性可塑性与眶额皮层的协同激活密切相关，且眶额皮层激活强度可预测后续嗅觉知觉分辨能力的提升。杏仁核主导嗅觉情绪效价的快速评估与情绪相关记忆巩固，通过调控梨状皮层与海马的突触可塑性，选择性增强情绪关联气味记忆的行为相关性。近期研究揭示了一种新型调控机制：中央杏仁核（Central Amygdala, CeA）神经元对气味、疼痛等厌恶型感官刺激具有高特异性，仅少数神经元整合多模态厌恶信息以精准调控嗅觉厌恶；进一步研究证实，一条独立于杏仁核的四突触前额叶-后脑通路（嗅球→背侧脚桥核→PBNsl Cck+→PSTh Tac1+→旁下丘脑核）可快速介导气味触发的本能恐惧与焦虑反应，该通路突触更少、路径更短、处理速度更快，可直接接入下游脑干防御系统，解释了为何某些气味可在极少意识参与下瞬间引发强烈恐惧或焦虑反应，表明嗅觉在进化中保留了绕过高阶皮层处理的“快速情绪通路”，为嗅觉脑机接口的行为状态解码提供了新靶点。海马是整合嗅觉、情境与情景记忆的关键脑区，嗅觉输入通过调控海马theta节律与位置细胞活动，将气味与时空情境线索绑定。研究发现社会嗅觉线索是海马CA2区位置细胞放电模式改变的关键驱动因素，仅在存在社会气味时，CA2位置细胞才会表现出显著的放电特征修饰，且在后续尖波涟漪期间放电增强，提示其在社会嗅觉记忆编码与巩固中的特殊作用；此外，夜间持续暴露于玫瑰、迷迭香等气味可显著提升老年人记忆力并增加海马-内嗅皮层通路白质完整性，证实嗅觉刺激可通过重构海马相关通路改善认知功能。眶额皮层是整合多模态嗅觉数据的高级监控节点，可将嗅觉与味觉、视觉及奖赏预期等感官输入相结合，动态评估不同气味的主观收益，进而影响气味偏好、食物选择与决策。嗅觉数据进一步由内侧前额皮层（Medial Prefrontal Cortex, mPFC）处理，将嗅觉相关的情绪与记忆内容转化为可驱动认知过程与目标导向行为的要素，同时通过下行调控信号反馈至眶额皮层、杏仁核与梨状皮层，调控这些区域的神经活动，确保嗅觉感知随情境变化保持稳定且具有个体主观性。由梨状皮层-杏仁核-海马-眶额皮层-mPFC构成的层级双向网络，共同构成将嗅觉体验转化为情绪、记忆与适应性决策过程的神经基质核心部分。同时，嗅觉内隐情绪调控也得到进一步验证：情绪化学信号（如与快乐或恐惧相关的人类气味）可通过嗅觉通路调控中性面孔知觉加工，显著增加心率变异性（Heart Rate Variability, HRV），分别在刺激加工的早期与晚期调控降低β波功率、增强δ波功率，且该效应在健康人群与抑郁症、社交焦虑人群中无显著差异，提示嗅觉情绪调控通路具有普遍性；行为与生理、电生理证据表明，愉悦气味可上调个体对积极图片的情绪反应，事件相关电位（Event-Related Potentials, ERP）结果显示，相较于不愉悦或中性气味，愉悦气味可降低对负性图片的N1与早期后部负波（Early Posterior Negativity, EPN）波幅，提示愉悦气味在情绪加工早期阶段可分散对负性图片的注意，隐性下调负性情绪。
3 高阶脑区对嗅觉的神经调控
高阶脑区并非被动接收嗅觉信息，而是通过广泛的下行投射主动调控嗅球与嗅觉皮层神经元的兴奋性，调节气味识别、辨别与情绪反应，形成闭环信息流与功能调控网络。这种双向、依赖情境的神经环路使得嗅觉处理高度依赖于行为状态、注意焦点与情绪语境。
3.1 皮层至嗅球的下行反馈
电生理学、光遗传学及功能磁共振成像研究显示，梨状皮层至嗅球的反馈通路极强，且可基于行为任务快速重组，传递刺激身份与奖赏或情境信息。2025年Hernandez等人采用规则反转任务的双光子成像实验表明，梨状皮层至嗅球的反馈轴突不仅传递气味刺激身份，还可对非气味线索（如听觉线索）产生响应；在刺激-奖赏关联反转后，单个轴突扣结的响应模式在该任务中以秒级速率重构，且这种重构过程与动物行为变化紧密追踪，光遗传学沉默该反馈通路还会严重损害动物行为表现，提示该反馈通路在情境适应行为中发挥重要作用。同时，Yu等人发现了基底前脑胆碱能神经元介导的皮层相关反馈的模态特异性调控：小鼠嗅觉辨别任务期间，嗅球内的胆碱能反馈轴突从与口面部运动相关的活动模式快速转变为与气味刺激同步的强响应，同时减弱运动相关响应，而投射至背侧皮层的胆碱能轴突则未发生这种转变；抑制该胆碱能反馈会降低嗅球颗粒细胞的气味响应强度，损害嗅觉辨别能力，表明下行皮层反馈可通过神经调质系统动态优化嗅球中感觉信息的处理优先级。此外，该反馈通过优化气味表征、调控输出神经元响应特征等多种机制精确调控嗅球信息传递。2022年Urrutia-Pi?ones等人发现梨状皮层反馈差异性地调控嗅球的僧帽细胞与丛状细胞：抑制梨状皮层会增强僧帽细胞的气味响应并提升其反应相似性，而对丛状细胞影响极小，提示该反馈通过解耦僧帽细胞响应实现气味信号的精确分离；2025年Garg等人发现多巴胺能短轴突细胞可整合皮下皮层输入与感觉信号，通过选择性抑制与奖赏相关气味（CS+）关联的肾小球活动，增强气味辨别学习。皮层反馈还可通过重塑嗅球神经元的时间编码特性实现灵活调控，2022年Chen等人证实皮层-皮下反馈可调控帽状细胞的兴奋-抑制平衡，改变梨状皮层神经元活动的时间结构，使嗅觉系统能够在“时间编码”与“组合编码”模式间动态切换，从而提升气味辨别任务中的行为表现。综上，皮层至嗅球的下行反馈是一个多通路、多机制的调控系统，不仅是传递刺激身份与奖赏/情境信息的核心通路，还通过凸显关键气味特征、抑制背景噪声、优化神经元响应同步性及调控编码模式，在不同情境中实现灵活的嗅觉编码策略，是行为相关气味识别、学习与记忆及适应性环境行为的核心神经机制。
3.2 神经调制系统
基底前脑（Basal Forebrain, BF）向嗅球与嗅觉皮层投射广泛的胆碱能（Acetylcholine, ACh）纤维，与注意、觉醒及学习密切相关。近期动物实验与光遗传学研究表明，胆碱能输入并非仅提升整体兴奋性，而是选择性放大弱气味相关神经元的响应、抑制背景噪声并重塑局部环路动力学，从而显著提升嗅觉信号的信噪比，这一过程涉及对嗅球与皮层可塑性的状态依赖性调控，有助于降低气味检测阈值并巩固任务与经验相关的嗅觉表征，确立了胆碱能调制在调控嗅觉敏感度与注意驱动的知觉优化中的关键作用。蓝斑（Locus Coeruleus, LC）是去甲肾上腺素（Norepinephrine, NE）的中枢主要来源，已被广泛证实可影响知觉增益、警觉与情景记忆；在嗅觉环路中，LC-NE向嗅球与皮层的投射可调控突触可塑性并在学习期间重塑兴奋-抑制平衡，从而影响气味表征的稳定性与区分度，操控LC活动可显著改变气味-奖赏关联的习得速度与记忆强度，提示去甲肾上腺素在连接嗅觉处理、学习效率与情绪价值评估中发挥核心调制作用。中枢5-羟色胺（5-Hydroxytryptamine, 5-HT）中枢（如中缝核与背侧中缝核）也显著投射至嗅球与嗅觉皮层，5-HT调制对嗅觉编码具有双向影响：在特定条件下抑制初级响应以增强选择性，在其他条件下则放大学习相关响应，参与情绪-气味关联调控；近期光遗传学与药理学研究揭示，5-HT介导的调制在嗅觉记忆形成与情绪性气味处理中发挥关键作用。同时，高阶脑区还可通过调控多巴胺能活动间接影响鼻内嗅觉系统的多巴胺释放，释放的多巴胺作用于嗅觉感觉神经元及其支持细胞的DRD2受体，抑制cAMP信号通路与离子通道活性，从而降低嗅觉信号放大效应与神经元兴奋性，这一机制可在感觉输入的最早阶段实现嗅觉增益控制，根据个体的动机、注意与行为状态动态调整嗅觉敏感度。
3.3 振荡、相位与时间编码（β/γ波的作用）
高阶嗅觉脑区表现出显著的时间振荡活动，其中β波与γ波与气味识别准确率的相关性更强。β峰在呼气期更为显著，而γ波主要集中在吸气峰值或吸气向呼气转换阶段。呼吸节律刺激通过嗅球输入诱导梨状皮层（Piriform Cortex, PCx）产生γ振荡，研究表明吸气会提升低幅γ波（30–60 Hz），导致γ波振幅呈现显著的呼吸相位调制，这一现象与梨状皮层内反馈抑制性中间神经元（Feedback Inhibitory Interneurons, FBI）的活动密切相关；这些中间神经元通过PCx主细胞的复发性兴奋连接募集反馈抑制，从而产生节律性抑制放电，这种觉醒相关的活跃网络现象将放电限制在特定时间窗口内。γ振荡并不直接编码气味身份，每种气味会激活不同的、稀疏的气味特异性神经元集群，这种赢者通吃机制维持气味表征，对未来嗅觉神经编码的临床转化具有重要参考价值。嗅球通过γ波向梨状皮层传递气味愉悦度信息，而梨状皮层通过β波向嗅球反馈调控信号（如传递奖赏/情绪信息以实现精细表征），形成双向信息交换环路。这些频带特征不仅与气味识别、辨别相关，还与主观愉悦度或价值编码相关，构成了嗅觉系统的重要时间维度信号。
3.4 抑制性微环路与选择性增强（局部微环路机制）
嗅球与嗅觉皮层内的抑制性微环路是实现高维、低冗余气味表征的核心生理基础。研究表明，嗅球内的快放电中间神经元（Fast-Spiking Interneurons, FSI）可通过爆发性发放对僧帽/丛状细胞（Mitral/Tufted Cells, MTCs）的放电时序施加严格约束，实现高保真抑制，进而增强不同气味分子引发的神经响应差异，提升气味辨别能力。然而，嗅觉学习需要特定锥体细胞间的连接被选择性增强，此时血管活性肠肽（Vasoactive Intestinal Peptide, VIP）中间神经元介导的去抑制环路发挥关键作用：VIP细胞可抑制生长抑素（Somatostatin, SST）或 parvalbumin（PV）等抑制性中间神经元，充当“抑制性刹车细胞”，从而解除对锥体细胞树突的抑制；当VIP活性升高时，SST或PV对锥体细胞的抑制作用减弱，使得兴奋性输入更易在树突整合并诱导长时程增强（Long-Term Potentiation, LTP）；通过这种方式，梨状皮层在特定时刻开启突触可塑性窗口，实现与当前嗅觉体验相关的神经连接增强。这些抑制性微环路的调控机制不仅为嗅觉信息的高效编码提供了坚实生理基础，还通过介导的梨状皮层-嗅球双向调控通路与去抑制门控机制，为嗅觉脑机接口的设计提供了核心生理学依据。
4 高阶脑区调控的嗅觉脑机接口
体内嗅觉脑机接口以动物或人类嗅觉神经系统为信号源，通过电生理、光学或化学方法实时采集嗅觉相关神经活动，实现气味识别、神经解码与调控。与传统依赖外周嗅觉受体或嗅球信号的系统不同，下一代嗅觉脑机接口将研究重心延伸至高阶嗅觉脑区（如梨状皮层、杏仁核、眶额皮层），通过双向接口实现对神经信号的双向记录与刺激，这类系统不仅能识别外部气味，还可通过靶向神经刺激生成“人工气味”或重建嗅觉功能，是仿生嗅觉与神经调控技术的重要前沿。其核心概念在于，嗅觉通路本身是高灵敏度气味传感器，而高阶脑区通过神经调制嗅球及下游环路，实现气味类别、愉悦度、情绪属性与价值评估的高级编码；利用脑机接口技术，这些神经编码可直接转化为可读、可控的人工信息流，实现从气味感知到神经调控的闭环运行。
4.1 外周传感与嗅球初级编码单元（外周与嗅球模块）
嗅觉上皮（OSNs）与嗅球环路生成的初级嗅觉信号为脑机接口系统提供第一层输入，脑机接口前驱嗅觉研究的关键进展集中在电极植入、信号解码与神经调制方面。
4.2 植入式电极：材料与植入方式选择
体内生物电子鼻系统的关键要求是能够以高时间分辨率长期稳定记录嗅球及相关皮层区域的神经活动，同时电极需最小化组织损伤与相关炎症反应，因此神经电极的材料选择与结构设计对系统整体性能至关重要。从器件平台来看，刚性无机电极可提供高空间分辨率，近期研究表明高密度硅基探针（如Neuropixels系列）可在单次实验中捕获数百至数千个神经元的尖峰与局部场电位（Local Field Potential, LFP），为破译嗅觉网络提供前所未有的数据量与空间覆盖范围，但其刚性特质需要在长期植入时的微损伤风险间取得平衡。为提升长期存活能力，研究人员开发了柔性/薄膜电极，可更好地贴合头皮以确保信号稳定性，同时增强机械顺应性与长期生物相容性。例如Duan等人开发了面向嗅觉通路的长效植入式柔性神经接口，记录了嗅上皮（Olfactory Epithelium, OE）与嗅球（Olfactory Bulb, OB）的呼吸同步慢振荡，其研究结果不仅证明呼吸节律可组织并调制携带气味信息的高频神经活动，还首次证实柔性电极能够在体内实现对外周与中枢嗅觉系统的长期稳定慢性记录，但受限于脑电图与柔性电极本身的空间分辨率，其对嗅觉通路深部结构的细粒度神经机制解析能力仍然有限。除器件架构外，通过功能涂层材料优化电极-组织界面也受到越来越多的关注，部分新型导电材料（如PEDOT:PSS、碳纳米管及近年兴起的MXene）表现出优异的生物相容性、低阻抗与机械兼容性，可显著降低炎症与信号衰减，适用于长期体内记录与刺激应用。综合神经植入技术的发展轨迹与临床转化的实际需求，脑机接口植入材料的开发预计将主要沿两大方向发展：提升机械顺应性与增强长期稳定性。柔性与可拉伸性是下一代材料设计的基本要求，而长期稳定性仍是最终临床适用性的决定性因素；聚酰亚胺（Polyimide, PI）、聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）等柔性基底材料可通过掺入Ti3C2MXene等导电材料实现功能化，这类材料在较大机械变形下仍能维持稳定导电性，同时可能提供更优的应变耐受性与更低的组织反应性，共同为嗅觉神经信号的长期稳定获取奠定坚实材料基础，助力嗅觉脑机接口的临床转化。在植入方式方面，无创方法（如脑电图、功能磁共振成像）因信号衰减导致分辨率较低；传统有创植入仍是获取高质量、单神经元水平数据的金标准，但伴随较高的手术风险、生物相容性挑战与长期稳定性问题。当前研究中常考虑多种植入路径，包括经颅硬膜下或皮层表面皮层脑电图（Electrocorticography, ECoG）、靶向嗅球或海马旁皮层等结构的深部单电极或多电极植入，以及血管内或其他微创策略。其中血管内或微创植入属于中度侵入性路径，电极（如Stentrode）通过血管系统输送，可在无需开颅的情况下实现相对高质量的信號采集，已在肌萎缩侧索硬化症患者中展现出有前景的临床通讯性能。在植入方式维度，微创与无创技术正快速发展，超微型植入物可通过微创注射而非开颅手术输送，结合光无线供电与信号传输技术，可实现超过一年的稳定监测且兼容磁共振成像，解决了传统植入物的创伤与成像干扰问题。
4.3 体内神经采集与编码模块
高质量神经数据是有效解码气味与情绪属性的前提。由于嗅觉脑电信号潜伏期较长（通常为300–800 ms），且诱发电位成分显著弱于视觉/听觉信号，加之事件相关电位与呼吸节律（嗅吸周期）高度相关，嗅觉脑电解码更为复杂，需要更精细的信号增强与特征提取策略。
4.3.1 多模态神经信号采集与嗅觉信息的时间编码特征
在硬件层面，与传统低密度电极相比，高密度探针（如Neuropixels Ultra）显著提升了神经元信号检出率与信噪比，大幅提高了数据输出效率与长期稳定性，已被用于大规模嗅觉网络记录，揭示了群体动力学与振荡耦合在气味编码中的作用；同时，微创高密度神经接口的问世大幅拓展了高维神经数据的可及边界，为复杂神经表征的解码与建模奠定了工程基础。在解码机制层面，大量研究表明嗅觉信息并非在时间轴上均匀分布，而是高度依赖呼吸节律调制的相位窗口：具体而言，气味信息在呼吸（或慢节律）相位窗口内的γ波振幅中表现出更强的可解码性，导致嗅觉通路中的“最优解码窗口”常落在呼吸相位的γ波峰值附近；其次，嗅球放电对浓度动态与高频成分敏感，气味刺激可在1–10 ms时间尺度诱导神经元同步放电，尖峰时间编码可增强精细辨别能力。在解码方法上，深度学习、多模态融合与基于相位的时序模型近年表现突出：将呼吸相位、β/γ振荡功率与尖峰时间参数作为联合特征，并采用多特征融合方法（时频+事件相关电位+呼吸耦合），可显著提升识别准确率，提高气味分类、浓度估计与情绪效价解码的精度。这些发现共同表明，嗅觉信息编码呈现显著的多时间尺度与多模态特征，需在采集与解码阶段进行协同建模。
4.3.2 基于神经表征的解码建模与增强
在数据处理与编码建模方面，传统脑机接口主要依赖统计相关性进行信号解码，虽在工程应用中有效，但难以揭示神经系统的真实信息处理机制；未来脑机接口解码应越来越多地整合神经表征与机制模型，以提升可解释性与跨任务泛化能力。在这一趋势下，基于神经表征的解码方法日益受到重视，典型策略包括表征相似性分析（Representation Similarity Analysis, RSA）与多变量模式分析（Multivariate Pattern Analysis, MVPA），用于刻画不同气味条件下嗅觉表征的神经集群活动结构差异，这些方法不仅提升了解码性能，还为理解嗅觉神经编码的组织原则提供了新颖的分析视角。同时，新型神经信号模态的引入进一步拓展了可解码的神经表征空间：Griggs等人在《自然·神经科学》中证实，通过功能性超声（Functional Ultrasound, fUS）记录的血流动力学信号也包含可用于实时解码的高阶神经表征，能够实现在线闭环脑机接口中对运动规划的实时解码与反馈控制，该研究证明解码目标可从瞬时放电拓展至神经表征，对嗅觉等受慢节律调控的感觉系统具有重要启示。在模型层面，深度学习尤其是注意力机制与Transformer架构，在解码高维神经数据中展现出日益增强的潜力：Klein等人的柔性分段脑Transformer模型可有效捕捉脑电图与群体神经信号中的跨时间与跨通道依赖关系，显著提升了解码准确率；在高带宽有创场景中，Willsey等人通过多自由度连续运动控制实验证明了在临床级脑机接口中实现稳定高精度控制的可行性，凸显了高容量神经表征建模在实际转化中的价值；Ding提出了一种脑启发仿生电路，利用忆阻突触编码气味、介导突触可塑性并选择主要行为，实现了从嗅球级感觉处理到下游行为输出的映射。同时，针对嗅觉神经数据特征定制的数据增强与深度模型架构展现出显著优势：Zhang开发了精准可控多通道嗅觉刺激同步脑电采集平台，结合Welch功率谱、事件相关电位多模态时频特征与OESCN等深度网络的联合解码框架，实现了气味诱发脑电信号的高精度识别；Xiong提出Gram角场用于气味信号的时间重构，结合深度卷积神经网络，显著增强了电子鼻在复杂食品气味识别任务中的鲁棒性与泛化能力；Sun提出Z分布归一化漂移缩减算法与KDA线性降维算法，可更高效降低数据噪声并提升高维重叠数据的分类准确率，为气味信息的网络化传输与复现提供了新思路。这些研究表明，整合神经表征建模、相位敏感特征与深度学习框架，是推动嗅觉脑机接口从“可用”迈向“可解释、可泛化”的关键方向。
4.4 神经刺激：通过写入重建或诱导嗅觉体验
嗅觉是最易通过直接脑刺激诱导的感觉之一，常伴随幻嗅、情绪与记忆等强烈主观体验。与正常嗅觉生理过程不同，“写入”端通过电刺激或光遗传调制高阶嗅觉脑区，直接诱导嗅觉体验或改变气味相关生理/行为反应。多项近期研究从不同层面证实，靶向刺激嗅觉神经环路可直接诱导或调控嗅觉体验，为将神经刺激用作嗅觉脑机接口的“写入端”提供了可行性证据。在人类研究中，针对癫痫患者的有创电刺激实验表明，刺激高阶嗅觉皮层（尤其是内侧眶额皮层）可在无外周气味分子输入的情况下诱导清晰且有时令人愉悦的嗅觉感知，这为皮层神经活动在生成嗅觉体验中的关键作用提供了因果性证据。同时，光遗传学通过操控特定细胞类型与精准时间尺度，为映射刺激-感知关系提供了高分辨率“地面真值”，为通过人类电刺激近似这些关键时空激活模式提供了重要参考，进一步揭示了高阶脑区至嗅球的下行投射在嗅觉“编码”中的关键调控作用；综述与实验表明，高阶脑区（包括梨状皮层、眶额皮层与前额皮层）的离心投射可通过调制嗅球内抑制性中间神经元（如颗粒细胞与球周细胞）的兴奋性，重塑嗅球输出神经元的放电模式、振荡节律与群体同步性；通过在特定细胞类型与时间点对下行通路进行精准光遗传刺激，研究人员可在无外周气味输入的情况下诱导出与特定气味刺激高度相似的嗅球活动模式，显著改变动物的气味感知行为与辨别结果。这些研究共同表明，可通过嗅觉系统多层次（从早期感觉中继到高阶联合皮层）的神经刺激诱导人工嗅觉感知，同时也强调只有当刺激靶点的选择与时空结构设计符合嗅觉环路的内在编码原理时，才能实现有效且稳定的嗅觉“写入”。自然嗅觉依赖基于受体的、与呼吸紧密耦合的时间结构化神经编码，而电诱发嗅觉感知源于人工激活分布式嗅觉-边缘系统网络；尽管电刺激可产生主观真实的嗅觉体验并调控情绪与享乐成分，但现有方法仍缺乏复现自然气味身份表征所需的时空精度。
5 临床与应用进展
尽管嗅觉脑机接口尚未进入成熟临床阶段，但多项研究已探索了嗅觉重建的可行性。例如，使用植入式皮层电极的刺激实验通过患者主观报告证实，刺激可诱发嗅觉相关感觉；部分团队正在开发植入式仿生嗅觉假体原型，包括无线传输与可穿戴配套设备。脑机接口框架下的嗅觉神经反馈将嗅觉刺激整合入神经反馈环路，助力神经可塑性训练与临床康复。相关研究显示，短暂暴露于薄荷醇气味可通过调控免疫系统下调脑内IL-1β与IL-6的表达，从而改善健康小鼠与阿尔茨海默病模型小鼠的认知功能；另有研究揭示阿尔茨海默病患者嗅觉刺激期间的低频节律调制能力显著减弱，通过采用神经网络等深度学习模型结合嗅觉皮层提取的信号特征，可实现阿尔茨海默病的高准确率识别，为利用脑机接口技术开展阿尔茨海默病等神经退行性疾病的早期筛查开辟了新路径。同时，将脑电图与嗅觉脑电信号结合，不仅能实现气味识别，还可根据情绪反应调整刺激范式，通过精准神经信号读取与刺激辅助患者进行情绪调控。此外，动态调控植入式脑机接口技术已成为突破关键点，磁控“NeuroWorm”电极范式利用头戴式磁单元与图像跟踪技术，可在颅内自主调整位置与切换靶点，突破了固定位置电极数据采集受限的局限。在非医疗领域，Liu利用嗅觉刺激放大情绪诱导效应的能力，提出嗅觉增强虚拟现实场景，证实其情绪识别准确率始终高于标准虚拟现实环境。在食品评价与行为调控研究中，越来越多证据表明嗅觉神经信号可客观评估食品感知强度与愉悦度，例如基于脑电图的嗅觉感知维度空间模型可有效区分不同食品气味及其相关愉悦度，为食品感官评价提供神经标志物。同时，电子鼻与神经接口的结合正成为趋势，该方法利用外部传感器检测气味并将其“翻译”为可被高阶脑区识别的刺激模式；通过直接读取小鼠嗅球神经信号并利用机器学习或模式识别算法进行分析解码，可区分不同气味信息，实现对挥发性化学物质的高灵敏度检测。植入嗅球电极阵列的生物电子鼻可为嗅觉检测提供高灵敏度、稳定、长期的监测平台，分类准确率>90%，为未来嗅觉脑机接口在安全监测与环境检测中的应用建立了新范式。
6 未来研究方向与讨论
从基础研究角度看，推进嗅觉脑机接口需要深化对高阶脑区气味编码机制的系统性理解。未来研究应聚焦于高阶嗅觉皮层及相关脑区不同神经元细胞类型在气味表征中的功能分工，结合单细胞分辨率电生理记录与分子标记技术，破译细胞类型特异性的气味编码模式；同时，气味感知不仅依赖局部环路活动，更依赖跨区域动态协作，开发描述嗅球-梨状皮层-前额皮层与边缘系统间振荡耦合、尖峰时间同步及状态依赖性调控的计算模型，将揭示嗅觉信息的全脑整合模式，为闭环脑机接口设计提供理论基础。相关研究提出的脑-神经形态接口（Brain–Neuromorphic Interface, BNI）框架，将神经形态计算引入脑机接口的核心交互层，在时态编码与神经振荡动力学层面实现与生物神经系统同构对齐，为研究嗅觉等强时间依赖性感觉系统的神经编码与闭环调控提供了新技术路径。在技术创新层面，植入式脑机接口材料正从优先“刚性与高稳定性”向平衡“柔性、高生物相容性与优异电化学性能”转变。嗅觉脑机接口的未来核心趋势在于构建多材料复合结构，如协同整合柔性聚合物基底与导电聚合物、纳米结构金属或离子导体，以在长效稳定植入、高通道密度与高信噪比神经记录之间实现最优平衡；在此基础上，结合低功耗无线通信技术与人工智能算法自适应优化神经刺激参数与模式，有望实现更精准、节能的闭环嗅觉控制系统，显著提升系统的长期可用性与安全性。在临床转化方面，尽管全球范围内嗅觉脑机接口的部分商业化进程已开始起步，但未来发展仍面临诸多障碍，如标准滞后与应用场景瓶颈。未来需建立涵盖感知准确度、主观嗅觉感受、生理安全性、长期稳定性等多指标的综合量化性能评价体系；同时，通过开展小规模、探索性、早期临床试验，逐步验证嗅觉脑机接口干预神经退行性疾病、外伤后嗅觉障碍、精神障碍等多种应用靶点的可行性与有效性，推动其向临床转化并最终落地。最终可能与混合系统协作，实现“外部感知-内部调控”，将可穿戴设备的便携性优势融入植入式系统接口，提升临床接受度与应用灵活性。随着时间推移，结合电刺激、光遗传调制与化学神经递质释放的多模态神经刺激策略，有望解决单模态方法的不足，为恢复更具真实感的嗅觉感知带来新前景。同时，整合嗅觉与其他感觉通道（如味觉、视觉）的跨感官交互，也为沉浸式虚拟现实、人机交互与健康干预领域开辟了应用前景。将嗅觉脑机接口纳入多感官整合框架，未来可推动实现更接近自然感知的高级人工感觉系统，使脑机接口领域从仅恢复脑功能转向增强感官与重构人类体验。然而，嗅觉脑机接口也面临显著技术挑战，包括长期植入引发的炎症反应、电极漂移导致的信号衰减，以及跨个体复制编码模式的难度。鉴于嗅觉与情绪、记忆的关联，仍需解决的问题包括刺激安全性、参数个性化（频率、振幅、脉宽、相位）及潜在副作用（非预期激活情绪记忆）。伦理层面，需讨论“人工操纵”感知的边界、用户对神经数据的自主权，以及潜在的非治疗性应用（如嗅觉增强或情绪调控）。监管需遵循植入式医疗器械标准，涵盖生物安全性、可逆性与软件可靠性。依托高阶脑区神经调制的仿生嗅觉，是融合神经科学、材料科学、电气工程、人工智能等的迷人跨学科领域。尽管仿生嗅觉仍处于探索阶段，仅在刺激高阶脑区与解码相关信息方面开展基础性工作，但技术进步使得克服人体植入相关技术挑战成为可能。安全电极、精准编码模型与严格伦理规范的提供，为嗅觉脑机接口技术的临床应用铺平道路，既可为重度嗅觉损伤患者提供新型治疗方案，也可为人工感觉系统带来突破性进展。
