《Plants》：Neurophysiological Responses to Inhalation of Osmanthus fragrans Volatiles: A Combined Electronic Nose and Electroencephalogram (EEG) Study on Concentration-Dependent Effects
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桂花（Osmanthus fragrans var. aurantiacus）提取物已知可通过吸入途径影响神经生理学响应，但关于浓度依赖性效应及性别特异性差异的研究仍显不足。本研究利用电子鼻（E-nose）、脑电图（electroencephalography
桂花（Osmanthus fragrans var. aurantiacus）提取物已知可通过吸入途径影响神经生理学响应，但关于浓度依赖性效应及性别特异性差异的研究仍显不足。本研究利用电子鼻（E-nose）、脑电图（electroencephalography, EEG）及标准化低分辨率电磁断层成像（standardized low-resolution electromagnetic tomography, sLORETA）技术，对3%和5%浓度的桂花提取物的挥发物特征及其神经生理学影响进行了表征。电子鼻分析共鉴定出48种挥发性化合物，化学计量学模型（主成分分析（principal component analysis, PCA）、层次聚类分析（hierarchical cluster analysis, HCA））显示不同浓度间存在明确区分。脑电图结果表明，吸入诱导了显著的浓度依赖性变化——具体表现为镇静相关的α波（alpha waves）增加以及紧张相关的γ波（gamma waves）减少，其中5%浓度桂花提取物比3%浓度诱发了更广泛的皮层响应。值得注意的是，总体脑电图模式中未观察到显著的性别相关差异；然而，sLORETA揭示5%浓度吸入特异性抑制了男性受试者Brodmann 13、21、22和44区的高β波（high beta）和γ波活动，这些脑区与情绪及多感觉处理相关。综上所述，本研究成功利用整合仿生学与神经生理学方法量化了挥发物特征与人脑响应之间的关系。这些发现为桂花吸入，特别是5%浓度对神经振荡向松弛状态调制的调节作用提供了客观证据，为嗅觉感知及功能性挥发性化合物的潜在应用提供了有价值的数据。
本研究发表于《Plants》期刊，旨在系统探究桂花（Osmanthus fragrans）挥发物吸入对人脑的神经生理学效应，重点关注浓度依赖性效应及性别差异。研究背景源于桂花作为亚洲传统食用花卉及天然添加剂的广泛分布与多种生理功能，其提取物已被报道具有神经保护、镇静及抗焦虑等效应。嗅觉刺激通过激活嗅觉感受器并经自主神经系统（autonomic nervous system, ANS）传递信号，可引发多种生理效应，且挥发物浓度是影响这些效应的关键因素——低浓度时主要刺激初级嗅觉感受器，高浓度则同时激活大量次级感受器，改变组合受体编码谱，进而改变神经生理学响应；此外，高剂量挥发物吸入还可能诱发副作用。尽管电子鼻作为仿生感官机器感知工具在食品检测中应用广泛，但其缺乏对情感、生理及神经认知数据的解读能力，因此需要与脑响应测量相结合。脑电图技术可记录神经元电活动，通过检测δ（0–4 Hz）、θ（4–8 Hz）、α（8–13 Hz）、β（13–30 Hz）和γ（>30 Hz）等频段信号评估精神状态；而sLORETA基于蒙特利尔神经病学研究所（Montreal Neurological Institute, MNI）152标准脑模型，通过求解逆问题可提供三维颅内信号源定位，揭示特定Brodmann区的激活情况。鉴于现有研究对浓度依赖性效应及性别特异性差异关注不足，研究人员开展了此项整合电子鼻化学轮廓分析与脑电图/sLORETA神经成像的联合研究。
该研究采用的主要关键技术方法包括：电子鼻（HERACLES Neo系统）结合火焰离子化检测器进行挥发物轮廓分析，并通过主成分分析和层次聚类分析进行化学计量学建模；脑电图测量采用21导联S-24 EEG设备，于21个头皮位点记录0.5–50范围内的脑电信号，经预处理后进行频谱分析，计算各频段相对功率；sLORETA分析基于预处理后的脑电图数据，采用统计非参数映射（Statistical Non-Parametric Mapping, SnPM）方法进行5000次随机置换检验，以MNI152标准脑模板进行源定位，将MNI坐标转换为Talairach坐标以精确识别Brodmann区；研究样本为韩国庆尚南道采集的桂花花朵乙醇提取物，经稀释后用于分析，人体试验纳入20名健康受试者（男女各10名），采用3%和5%浓度进行吸入暴露。
电子鼻与化学计量学分析结果显示，蒸馏水及桂花提取物中共有49种挥发性化合物被检出，包括9种酸和酯类、13种醇类、4种醛类、17种烃类、4种酮类、1种杂环化合物及1种呋喃类化合物。其中烃类在蒸馏水中占主导，而醇类为桂花提取物中的主要挥发物，且其含量随浓度增加而升高。主成分分析结果显示，PC1和PC2轴总方差贡献率为76.30%（PC1：50.46%，PC2：25.84%），7%和9%浓度位于PC1正轴，而蒸馏水、1%、3%和5%浓度位于负轴；在PC1与PC3轴分析中（总方差71.24%），分布模式类似。层次聚类分析将9%浓度归为I类，蒸馏水为II类，7%为III类，1%、3%和5%为IV类；其中IV类进一步分为A、B两个亚类，而3%和5%浓度归于亚类B且二者无显著差异。基于这些结果，研究人员选择3%和5%作为后续人体吸入试验的浓度条件，以避免更高浓度可能带来的感受器饱和及潜在副作用。
脑电图测量结果显示，吸入桂花提取物对人脑活动产生浓度依赖性影响。在男性受试者中，吸入后相对α波（relative alpha, RA）、相对慢α波（relative slow alpha, RSA）和相对快α波（relative fast alpha, RFA）呈增加趋势，而相对β波（relative beta, RB）、相对γ波（relative gamma, RG）、相对低β波（relative low beta, RLB）、相对中β波（relative mid beta, RMB）和相对高β波（relative high beta, RHB）呈降低趋势；其中RA、RB、RG、RLB和RHB波在吸入前后存在显著差异（p < 0.05），RG波在5个位点变化最为显著。具体而言，5%浓度吸入后，RA波在P3和O1位点显著增加，RB波在O2位点显著降低，RLB波在P4、O1和Oz位点显著降低，RHB波在T3位点显著降低，RG波在F7、F8、T3、Pz和T6位点显著降低；而3%浓度仅使RG波在T3位点显著降低。在女性受试者中，模式与男性有所不同：RA、RG、RSA、RLB和RHB波存在显著差异，其中5%浓度吸入后RA波在F7、F3、F8、Pz和P4位点显著增加，RSA波在Fp1、F7、F3、F8、Pz、P4和O2位点显著增加；RLB波在Fp1和F8位点显著降低，RHB波在Cz和Oz位点显著降低，RG波在P4、T6、Oz和O2位点显著降低。总体而言，5%浓度诱发了比3%浓度更为广泛的皮层响应，且性别间总体脑电图模式无显著差异。
sLORETA分析结果揭示，在九种脑电波频段中，仅RHB波和RG波在吸入桂花提取物后存在显著差异。在5%浓度吸入后，男性受试者的岛叶（Brodmann 13区，属于脑岛/脑叶下区）、颞中回（Brodmann 22区，颞叶）、额下回（Brodmann 44区，额叶）及颞中回（Brodmann 21区，颞叶）的RHB波活动显著降低（p < 0.01或p < 0.05）；RG波在相同Brodmann区也呈现一致的显著降低模式（p < 0.01或p < 0.05）。而女性受试者除浓度效应外，上述Brodmann区未显示显著变化。这些结果表明，5%浓度吸入特异性抑制了男性与情绪及多感觉处理相关脑区的高频活动。
讨论部分，研究人员首先阐述了电子鼻作为仿生化学感官设备的优势，及其与人类感官分析结果的一致性。化学计量学分析表明3%和5%浓度为相对低浓度条件，可潜在避免高浓度的副作用，这与先前研究中低浓度挥发物诱导积极生物功能、高浓度导致副作用的发现相符。脑电图结果分析指出，5%浓度吸入后RA和RSA波的增加与松弛、平静状态相关，而RB、RG、RLB和RHB波的减少与紧张、焦虑及高度认知活动状态相关；且浓度差异（3% vs. 5%）较性别差异对脑电图活动变异的解释力更强。sLORETA结果进一步细化了上述发现：Brodmann 44区与语言语音处理（Broca区）相关，Brodmann 21和22区与语义记忆、语言、视觉感知和多感觉整合相关，Brodmann 13区与高级认知-情绪功能及语言处理相关；这些区域仅在男性中呈现显著变化，可能与性别二态性的嗅觉感受器表达和内分泌特征有关。研究人员同时承认研究局限性：包括未动态量化实际空气浓度和实时扩散速率、环境参数未系统监测、样本量较小、缺乏对照组、仅展示短期脑电图变化而非确定的镇静或治疗疗效，以及未采用气相色谱-质谱联用（GC-MS）进行绝对定量等。
研究结论部分总结道：本研究利用电子鼻系统调查了蒸馏水及桂花提取物的挥发物特征，共鉴定出48种挥发物，其中烃类、醇类、酸类和酯类为主要化合物，且醇类含量随浓度增加而升高。化学计量学分析显示不同浓度间存在 distinct 模式，3%和5%被确定为最佳条件。脑电图评估显示，桂花吸入引起镇静相关波（RA、RSA）增加和紧张相关波（RB、RG、RLB、RHB）减少，这些效应主要由5%浓度吸入体现，且未显示显著的性别差异。sLORETA结果表明，5%浓度吸入在男性中诱导了RHB波和RG波的显著变化，Brodmann 13、21、22和44区活动显著降低。研究成功建立了机器感知（电子鼻）与人类嗅觉认知（量化脑电图分析）之间的比较框架，结合化学计量学和置换检验，为挥发物特征与人脑响应的量化关系提供了依据。5%浓度比3%浓度表现出更明显的神经活动调节作用，且脑电图分析成功区分了电子鼻无法区分的这两个浓度。未来研究需要更大规模的对照队列、长期临床评估以及主观行为指标的整合。
