Penn Electronic Design Shop nutzt Massendurchflussregelung zur Optimierung von Olfaktometern für Kurzzeitgedächtnisforschung

Advances in science have resulted in a much deeper understanding of the most complex organ in the human body: the brain. One remaining mystery is the mechanism by which a human brain retains and recalls information. The Gottfried lab at the University of Pennsylvania is working hard to solve this mystery through the study of olfaction (the sense of smell). Their work on olfaction could yield exciting results on the link between short-term memory retention and the brain activity by which it is facilitated.

Das Experiment

Das Labor entwarf ein Experiment, um Einblicke in den Zusammenhang zwischen Duft, Kurzzeitgedächtnis und Gehirnaktivität zu gewinnen. Hier ist ein kurzer Überblick über den Versuchsablauf:

1. Einrichtung eines MRT-Geräts zur Überwachung der Gehirnaktivität der Probanden.
2. Präsentieren Sie den Versuchspersonen eine Reihe von drei verschiedenen Düften.
3. Warten Sie eine kurze Zeitspanne von 7 bis 10 Sekunden.
4. Führen Sie die Versuchspersonen in einen zusätzlichen Duft ein.
5. Die Versuchspersonen bestimmen dann, ob es sich um einen der drei oben genannten Düfte handelt und in welcher Reihenfolge sie glauben, dass sie ihn zuerst gerochen haben.

Um diese Forschung zu erleichtern, benötigte das Labor eine Maschine, die präzise bestimmte Mengen jedes Duftes abgibt. Hier kamen Miguel Hernandez, Direktor des Penn Electronic Design Shop, und sein Team ins Spiel.

Herausforderung 1: Bau eines Olfaktometers zur präzisen Abgabe von Düften

To conduct this experiment, the lab endeavored to develop an olfactometer capable of precisely delivering up to 12 different scents using pneumatics and air pressure. The first iteration of this machine was unable to operate with high enough precision due to valve limitations. In the Penn Electronic Design Shop, the team improved the electrical design of the olfactometer and streamlined the device. The final version utilizes two Alicat Massendurchflussregler (MC-20SLPM), um den Sauerstofffluss durch jeden Duftbehälter in festgelegten Intervallen zu regulieren. Laut Herrn Hernandez "sind wir zuversichtlich, dass die Alicat-Durchflussregler und ihre Messungen präzise sind".

Herausforderung 2: Verknüpfung der Steuerungen und Magnetventile an jedem Duftstoffbehälter

The next challenge was interfacing the mass flow controllers and the solenoid valves at each scent container. After discussing the situation with Alicat’s engineering team, Mr. Hernandez tested the analog electronic design and used MatLab software to provide commands to control system. A MatLab open-source software package called PsychToolbox enabled him to create a streamlined command interface, making it easy to adjust the flow controllers and regulate the saturation of oxygen flowing to any given valve. The real-time parameters displayed on the Alicat controllers’ integrierte Anzeigen erleichterte Herrn Hernandez auch die Überwachung der Prozessleistung und die Sicherstellung des ordnungsgemäßen Funktionierens der Elektronik des Olfaktometers.  

Olfaktometer-System

Schlussfolgerungen

Nach abschließenden Tests des Olfaktometers lieferte Herr Hernandez ein kompaktes und präzises Gerät an das Gottfried-Labor, das genau auf die Forschungsparameter zugeschnitten war. Das Labor hat das Gerät seither in einer Vielzahl von Forschungsprojekten eingesetzt und festgestellt, dass die Gehirnaktivität der Versuchspersonen unabhängig voneinander das "Was" des Duftes und das "Wann" der Geruchssequenzen kodiert.

Das Team beobachtete, dass sich die Verzögerung der Aktivität direkt auf den späteren Abruf des Geruchs auswirkte. Die Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass bestimmte Muster der Hirnaktivität es ermöglichen, dass mehrere Gedächtnisinhalte, die einen gemeinsamen "Ort" im Gehirn teilen, unabhängig voneinander erhalten bleiben und getrennt abgerufen werden können.

Wie geht es mit dem Labor Gottfried weiter?

Obwohl dieses Projekt einige Fragen zum Kurzzeitgedächtnis und zur Funktionsweise des Gehirns beim Abrufen von Informationen beantwortet, gibt es für das Gottfried-Labor noch viel zu tun. Das Team beabsichtigt, das Olfaktometer von Herrn Hernandez weiter zu verwenden, um mehr über das Behalten und Abrufen von Informationen im Gehirn zu erfahren.