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Departamento de Ingeniería Electrónica

E.T.S.I. TelecomunicaciónUniversidad Politécnica de Madrid

Ingeniería Neurosensorial

Tema 5

El olfato y el gusto

Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 2

Índice

• Introducción

• Fisiología del olfato y el gusto

• Patologías del olfato y el gusto

• El olfato artificial (electrónico)

• El gusto artificial

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Introducción (I)

• Olfato y gusto: parte de sistema sensorial químico

• Interpretación de olores y sabores

• Determinan la supervivencia diaria de muchas especies

• Sentido “químico” adicional:– “Trigeminal” o “sentido químico común”

• El olfato es el más desarrollado

• ¿Y en comparación con los otros sentidos?

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Introducción (II)

• Influencia “más allá” del olor (y el sabor)– Estado de ánimo

– Memoria

– Emociones

– Elección de pareja

– Sistema inmunitario y endocrino

• Percepción subjetiva (cualitativa y cuantitativa)

• ¿Necesidad de una nariz y lengua electrónica?

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Fisiología del olfato (I)Química de los olores (I)

• Olores son mezcla de multitud de moléculas

• Relación estructura molecular – olor

• Factores determinantes:– Masa molecular (30 a 300 g·mol-1)

– Interacciones internas (carga, átomos, polaridad, rotación estructural)

– Interacciones externas

• Estructuras “aromáticas”

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Fisiología del olfato (II)Química de los olores (II)

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Fisiología del olfato (III)Química de los olores (III)

• Investigación en predicción de olor– Descripción algebraica de las características

moleculares

– Descripción cualitativa de las características moleculares

– Simulación por ordenador: relación entre moléculas olorosas y sus receptores

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Fisiología del olfato (IV)Anatomía y procesos químicos básicos (I)

• Anatomía “externa”– Fosa nasal

– Estructura anatómica (hueso y cartílago)

– Dos conductos nasales

– Moléculas llegan por fosas o conexión con cavidad bucal

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Fisiología del olfato (V)Anatomía y procesos químicos básicos (II)

• Estimulación exclusiva a través de moléculas olorosas

• Epitelio olfativo (5 cm2)– Capa mucosa

– Neuronas olfativas ciliadas

– ¡¡Con capacidad de regeneración!!

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Fisiología del olfato (VI)Anatomía y procesos químicos básicos (III)

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Fisiología del olfato (VII)Anatomía y procesos químicos básicos (IV)

• En los cilios comienza la transducción

• Moléculas olorosas se “acoplan” a proteínas receptoras

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Fisiología (VIII)Anatomía y procesos ... (V)

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Fisiología del olfato (IX)Anatomía y procesos químicos básicos (VI)

• Para nosotros, la idea fundamental no es en sí el proceso, sino el efecto de “amplificación de la señal”

→ Altísima sensibilidad del sistema olfativo humano

• ¡Pero mucho menos que otros mamíferos!

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Fisiología del olfato (X)Procesos neurosensoriales superiores (I)

• Los axones de las células mitrales constituyen el tracto olfativo que comunica el bulbo olfativo con el córtex olfativo

• El córtex olfativo comunica con varias zonas del cerebro:– Zonas superiores de procesamiento olfativo

(reconocimiento, discriminación, percepción, memoria)

– Estructuras límbicas (respuestas subsconcientes, emociones, comportamiento, regulación hormonal)

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Fisiología del olfato (XI)Procesos neurosensoriales superiores (II)

• Receptores olfativos:– Aproximadamente 1000 proteínas diferentes

– Cada neurona olfativa sólo genera una proteína

– Distribución “aleatoria” en el epitelio olfativo

– ¡¡Mismos tipos de neuronas olfativas se conectan en el mismo glomérulo!!

– Misma disposición entre distintos sujetos

– ¡¡Podemos detectar 100000 olores!! ¿Cómo?

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Fisiología del olfato (XII)Procesos neurosensoriales superiores (III)

• Detección de olores:– Explicación relativamente reciente (Noviembre

2001) – Combinaciones de activaciones en glomérulos

(mapa)– Las excitaciones de cada receptor también tienen

correspondencia “topológica” en córtex olfativo (mapa)

• Procesos relacionados con la memoria y las emociones poco conocidos

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Fisiología del olfato (XIII)Percepción cuantitativa (I)

• Problema fundamental:– Cualidades sensoriales difícilmente medibles (la

concentración no es un parámetro fiable)

• Intensidad percibida de olor:– No responde linealmente a concentración– Respuesta típica sigmoidea– Dos umbrales:

§ Umbral de detección – 3·10-6 mg/l (citral)

§ Umbral de identificación

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Fisiología del olfato (XIV)Percepción cuantitativa (II)

• Intensidad percibida de olor:– Dos comportamientos de la intensidad percibida:

§ Aumenta rápidamente con concentración (notas altas)– Bajo rango dinámico, alta volatilidad

§ Aumenta lentamente con concentración (notas bajas)– Alto rango dinámico, más duraderos

• Tiempos de reacción y adaptación– Proporcionales a concentración (potencia de)

– Células del epitelio olfativo “limpian”

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Fisiología del gusto (I)Anatomía y procesos químicos básicos (I)

• Anatomía “externa”– Cavidad bucal

– Lengua

– Papilas:§ Circunvaladas

§ Foliadas

§ Filiformes

§ Fungiformes

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Fisiología del gusto (II)Anatomía y procesos químicos básicos (II)

• Células nerviosas sensibles en las yemas gustativas

• También ciliadas

• Conexión del axón con él córtex cerebral

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Fisiología del gusto (III)Anatomía y procesos químicos básicos (III)

• Estimulación a través de moléculas “sabrosas” y composición química básica

• Cuatro sabores básicos:– Dulce– Salado– Amargo– Agrio (ácido)

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Fisiología del gusto (IV)Anatomía y procesos químicos básicos (IV)

• Un “quinto sabor”: umami• Procesos químicos más sencillos que en el olfato

– Ácido (H+)– Salado (Cl- Na+)

– Dulce (sacarosa, ...)

• Caso especial: glutamato monosódico• Complementado con textura, temperatura y, sobre

todo, olfato (70% de la percepción del sabor)

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Fisiología del gusto (V)Procesos neurosensoriales superiores

• Más simple que el olfato (muy dependiente de éste)

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Patologías (I)Tipos y causas

• Tres tipos genéricos:– Pérdida completa de capacidad de detectar olores o

sabores (anosmia o ageusia)– Disminución de capacidad (hiposmia o hipogeusia)– Trastornos en la percepción (anosmias o ageusias

específicas)

• Causas:– Infecciones– Lesiones en la cabeza– Exposición a productos químicos

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Patologías (II)Diagnóstico y tratamiento

• Diagnóstico: medida de umbrales de sensibilidad

• Tratamiento:– Químico– Quirúrgico

– ¿Prótesis?... No por el momento, aunque hay algunos detectores comerciales que cumplen esa misión

• Futuro:– Comprensión de la fisiología y mecanismos

superiores

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El olfato artificial (I)Introducción (I)

• Definición:

Una nariz electrónica es un instrumento que consiste en un conjunto de sensores electroquímicos con una

especificidad parcial y un sistema adecuado de reconocimiento de patrones, capaz de reconocer

olores simples o complejos.

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El olfato artificial (II)Introducción (II)

• ¿Tiene sentido?– ¿Para prótesis?

– ¿Aplicación industrial?§ Control de calidad alimentos y bebidas

§ Diagnóstico médico

§ Control ambiental

§ Uso militar

• ¿Puede aproximarse a la sensibilidad del humano?– No por ahora, pero... ¿debería hacerlo?...

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El olfato artificial (III)Historia

• Nada antes de 1920

• En 1920 postularon primeras teorías (medición de carga)

• Años 50: Primeros aparato experimentales (sensores amperométricos, termistores)

• Mediados de los 60: sensores de conductividad

• Años 80: Concepto de nariz electrónica actual

• 1991: Primer workshop

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El olfato artificial (IV)Métodos clásicos (I)

• Cromatografía de gases

• Espectroscopía de masas

(separación temporal por GC)

(separación estructural por MS)

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El olfato artificial (V)Métodos clásicos (II)

• Olfatómetros

• Expertos

• Problemas:– Caros

– Lentos

– Subjetivos

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El olfato artificial (VI)Arquitectura (I)

• Típicamente

Suministro de

material oloroso

Cámaracon array

desensoresquímicos

Adaptaciónde señal

de sensores

A/D Análisis

VisualizaciónMuestra

Patrones

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El olfato artificial (VII)Arquitectura – etapas previas (II)

• Suministro de material oloroso:– Sumamente difícil (evitar contaminación y alteración)– Manual (el material se inyecta en la cámara)

§ Errores§ Lentitud

– Automático (gas inerte portador)

• Cámara de sensores– Ambiente controlado:

§ Contaminantes, temperatura y humedad (también en el olfato humano)

– Mecanismo de limpieza

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Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 33

El olfato artificial (VIII)Arquitectura – sensores (III)

• Sensores– Elemento clave de la nariz electrónica

– Idealmente basado en comportamiento biológico

– ...pero...

– Nuestro conocimiento es limitado → aproximación empírica

– Se usan los sensores disponibles y se modifican de forma adecuada para cumplir requisitos

Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 34

El olfato artificial (IX)Arquitectura – sensores (IV)

• Requisitos de los sensores:– Respuesta y recuperación (razonablemente) rápidas– Margen dinámico adecuado– Respuesta lineal a la concentración (idealmente)– Respuesta reproducible– Reversibilidad– Baja sensibilidad frente a cambios ambientales (temperatura,

humedad, flujo recibido)– Bajo coste y pequeño tamaño– ¿Alta especifidad? ... No es imprescindible ... Basta con que

genere patrón diferenciable

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Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 35

El olfato artificial (X)Arquitectura – sensores (V)

• Sensores clasificables por material o principio

• Tipos de sensores (según material):– Materiales inorgánicos (semiconductores, óxidos

metálicos, etc.) [robustos, ↑ temperatura]

– Materiales orgánicos (polímeros) [más flexibles, temperatura ambiente]

– Materiales biológicos (enzimas, proteínas, anticuerpos, etc.) [difíciles de estabilizar]

Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 36

El olfato artificial (XI)Arquitectura – sensores (VI)

• Tipos de sensores (según principio de detección):– Medida de propiedades eléctricas (corriente, tensión,

capacidad, etc.)

– Medida de cambios de masa

– Medida de cambios en las propiedades ópticas (absorción, fluorescencia, reflectividad, etc.)

– Otros (electroquímicos, generación de calor, etc.)

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Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 37

El olfato artificial (XII)Arquitectura – sensores (VII)

• Sensores de conductividad (I)– La absorción de gases modifica la conductividad del

material activo:§ Semiconductor metal óxido

§ Polímeros conductores

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El olfato artificial (XIII)Arquitectura – sensores (VIII)

• Sensores de conductividad metal óxido (II)– Operan a altas temperaturas (200-400 ºC)

– Muy usados y disponibles comercialmente

– Sensibilidad 5-500 ppm

– La “receta” del material activo se diseña para mejorar la respuesta a olores específicos

– Problemas de deriva y contaminación

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Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 39

El olfato artificial (XIV)Arquitectura – sensores (IX)

• Sensores de conductividad polímeros (III)– Más versátiles

– Operan a temperatura ambiente

– Alta sensibilidad (de 0,1 a 100 ppm)

– Propiedades no constantes entre partidas

– Muy sensibles a la humedad– Tiempos de recuperación más lentos (el gas se

introduce en la muestra)

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El olfato artificial (XV)Arquitectura – sensores (X)

• Sensores piezoeléctricos (I)– Usan las propiedades piezoeléctricas de los materiales

de soporte (frecuencia de resonancia sumamente estable)

– Dos tipos:§ QCM (quartz crystal micro balance)

§ SAW (surface acoustic wave)

– Necesitan también material sensible (típicamente polímeros)

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Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 41

El olfato artificial (XVI)Arquitectura – sensores (XI)

• Sensores piezoeléctricos QCM (II)– Disco resonante con electrodos de metal a cada lado– Recubrimiento de polímero– Gas se adsorbe en superficie

y modifica masa → se modifica la frecuencia

de resonancia– Ej: fo = 10 MHz y ∆m = 0,01%

∆f = 1 KHz– Uso inicial militar

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El olfato artificial (XVII)Arquitectura – sensores (XII)

• Sensores piezoeléctricos QCM (III)– Lineales en un amplio rango

– Detecta cambios de masa entre 1 ng. y 1 pg.

– Recuperación se consigue con gas de referencia

– Insensibles a cambios en la temperatura

– Insensibles a cambios entre partidas (se mide la frecuencia normalizada de cambio)

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El olfato artificial (XVIII)Arquitectura – sensores (XIIII)

• Sensores piezoeléctricos SAW (IV)– Se genera una onda

de superficie en unextremo que llegaal opuesto con undeterminado cambiode fase (función delgas adsorbido)

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El olfato artificial (XIX)Arquitectura – sensores (XIV)

• Sensores piezoeléctricos SAW (V)– Frecuencias mayores que en QCM (100 MHz)

– Igual capacidad de detección pero mayores cambios en frecuencia

– Más baratos de fabricar que los QCM

• En general, los sensores piezoeléctricos:– Tienen problemas de ruido en función de la relación

superficie-volumen

– Electrónica de detección más compleja

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Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 45

El olfato artificial (XX)Arquitectura – sensores (XV)

• Sensores basados en MOSFET (I)– Estructuras Metal-Óxido-Semiconductor

– La puerta metálicaes la usada para detección (metalcatalizador)

– Modificación delas propiedadeseléctricas delMOSFET

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El olfato artificial (XXI)Arquitectura – sensores (XVI)

• Sensores basados en MOSFET (II)– Moléculas olorosas reaccionan con el metal catalizador

– Escasez de materiales sensores

– Detección de algunas ppm

– Ventaja: Integración en fabricación de Ics

– Variaciones con el tiempo similares a los dispositivos basados en conductividad

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Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 47

El olfato artificial (XXII)Arquitectura – sensores (XVII)

• Sensores ópticos (I)– Se utilizan fibras ópticas y

se miden cambios en propiedades ópticas por la presencia de materialesquímicamente activos

– Material activo contiene pigmentos cuya polaridad se altera al interaccionar con las moléculas olorosas

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El olfato artificial (XXIII)Arquitectura – sensores (XVIII)

• Sensores ópticos (II)– Existen multitud de pigmentos usados en investigación

biológica → sensores baratos

– Detección de ppb

– Insensibles a interferencias eléctricas

– Reducido tamaño

– Complejidad de la instrumentación de medida

– Tiempo de vida de los pigmentos limitado

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Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 49

El olfato artificial (XXIV)Arquitectura – sensores (XIX)

• Otros sensores– Electroquímicos (oxidación y reducción del gas)– Detección de calor (se mide la concentración del

combustible detectando el incremento de temperatura en un proceso de oxidación)

– Sensores biológicos– Basados en micropalancas

• Arrays de sensores:– Ventaja: mayor rango ambiental y de sustancias – Desventaja: mayor complejidad del sistema

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El olfato artificial (XXV)Arquitectura – sensores (XX)

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El olfato artificial (XXVI)Arquitectura – sensores (XXI)

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El olfato artificial (XXVII)Arquitectura – sensores (XXII)

• Ejemplo de salida de un array de 8 sensores

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Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 53

El olfato artificial (XXVIII)Arquitectura – sensores (XXIII)

• Sensores del futuro– ¿Biológicos?

– Necesitamos más conocimiento de los procesos olfativos biológicos

– Aproximación fuertemente pluridisciplinar (bioquímica, biología, fisiología, biosensores, procesado de señales, reconocimiento de patrones, etc.)

– Sistemas híbridos electrónicos y biólógicos

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El olfato artificial (XXIX)Arquitectura – acondicionamiento y A/D

• Adaptación de señal de sensores– Filtrado

– Disminución de ruido

– Amplificación

• Conversión A/D– Requisitos de frecuencia de muestreo

– Tamaño de muestra

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El olfato artificial (XXX)Arquitectura - análisis (I)

• Identificación del olor y cuantificación– Proceso digital de señal

– Reconocimiento estadístico de patrones

– Sólo el preproceso depende del sensor

Array de sensores

tiempo

resp

uesta

Preproceso de

señal

f1

f 2

Reducción de

Dimensionalidad

(parametrización)

?Toma de

decisiones

Adaptación y realimentación

Medidas

directas

Medidas

normalizadas

f1

f 2

olor 1

olor 2

olor 3

Clasificación

Vector de

características

Clase de olor

(medida de confianza)

Clase de olor

Post-procesada

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El olfato artificial (XXXI)Arquitectura - análisis (II)

• Preproceso:– Compensa desviaciones de los sensores

– Manipulación de las salidas de los sensores

– Normalización

– Compresión de los transitorios

– Muy dependiente del sensor y de laetapa previa de acondicionamiento

tiempo

resp

uesta

Preproceso de

señal

Medidas

directas

Medidas

normalizadas

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Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 57

El olfato artificial (XXXII)Arquitectura - análisis (III)

• Extracción de parámetros (I):– Reducción de dimensionalidad

– Extracción de información relevante (eliminación de redundancia)

– Típicamente se aplican transformaciones lineales

– También no lineales:§ Transformaciones de Sammon

§ Mapas de Cohonenf1

Reducción de

Dimensionalidad

(parametrización)

f 2

Medidas

normalizadas

Vector de

características

Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 58

El olfato artificial (XXXIII)Arquitectura - análisis (IV)

• Extracción de parámetros (II):– Transformaciones lineales típicas:

§ Análisis de componentes principales (PCA: Principal Component Analysis)→ busca componentes de mayor varianza→ No tiene en cuenta etiquetas

§ Análisis discriminante lineal(LDA: Linear discriminant analysis)→ busca proyecciones que maximizan la distancia entre

muestras de clases distintas

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Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 59

El olfato artificial (XXXIV)Arquitectura - análisis (V)

• Clasificación:– Etapa previa de entrenamiento– Métodos clásicos:

§ Clasificación bayesiana→ Construye fdp

§ K vecinos más próximoc (KNN: K Nearest Neighbours)→ Calcula los más próximos y decide

por mayoría

§ Redes neuronales (NN: Neural networks)

– Medida de confianza f1

olor 1

olor 2

olor 3

Clasificación

Vector de

características

f 2

Clase de olor

(medida de confianza)

Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 60

El olfato artificial (XXXV)Arquitectura - análisis (VI)

• Toma de decisiones:– Refinamiento de la decisión

– Si se dispone de información adicional:§ Umbrales de confianza

§ Coste asociado a los errores

§ Etc.

– Puede llegar a cambiar la decisión previae incluso determinar la no pertenenciade la muestra al repertorio de posibles

?Toma de

decisiones

Clase de olor

(medida de confianza)

Clase de olor

Post-procesada

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Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 61

El olfato artificial (XXXVI)El olfato en un chip

• SOC: System On Chip– Integración de elementos

electrónicos, químicos y electromecánicos

Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 62

El olfato artificial (XXXVII)Aplicaciones (I)

• Industria alimentaria

• Aplicaciones médicas

• Industria farmacéutica

• Monitorización ambiental y seguridad

• Militares

• Industria perfumera

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Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 63

El olfato artificial (XXXVIII)Aplicaciones (II)

• Industria alimentaria:– El mayor mercado para la nariz electrónica– Evaluación de calidad– Control de procesos de preparación de alimentos– Control de fermentación– Chequeo de frescura y control de caducidad– Graduación de bebidas alcohólicas– Clasificación de cafés, cervezas, licores, etc.– Sustitución de paneles de expertos (comparación con

productos de referencia)

Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 64

El olfato artificial (XXXIX)Aplicaciones (III)

• Industria alimentaria:– Ejemplo de identificación de cafés

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Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 65

El olfato artificial (XL)Aplicaciones (IV)

• Aplicaciones médicas:– Herramienta diagnóstica (olores corporales):

§ Aliento

§ Heridas

§ Fluidos (sudor, orina, etc.)

– ¿Telecirugía?...

• Industria farmacéutica:– Análisis de materias primas de entrada

– Detección de contaminantes en áreas de almacenamiento y distribución

– Determinación de fuentes de olores desagradables

Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 66

El olfato artificial (XLI)Aplicaciones (V)

• Monitorización ambiental y seguridad– Desechos químicos y nucleares → necesidad de

identificación de contaminantes

– Fugas de combustible

– Calidad del agua

– Calidad del aire

– Olores domésticos

– Monitorización de emisiones industriales

– Detección de explosivos y drogas

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Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 67

El olfato artificial (XLII)Aplicaciones (VI)

• Aplicaciones militares y espaciales– Detección de agentes biológicos y químicos

– Detección de minas y explosivos abandonados

– Control ambiental en naves espaciales

• Industria perfumera– Identificación de olores esenciales

– Evaluación de fragancias

– Control de calidad

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El olfato artificial (XLIII)Sistemas comerciales (I)

• E-nose Pico 2

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Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 69

El olfato artificial (XLIV)Sistemas comerciales (II)

• estcal.com y JPL

http://www.estcal.com/Products.html

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El olfato artificial (XLV)Sistemas comerciales (III)

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Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 71

El olfato artificial (XLVI)Sistemas comerciales (IV)

Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 72

El olfato artificial(XLVII)Sistemas comerciales (V)

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Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 73

El olfato artificial (XLVIII)Sistemas comerciales (VI)

Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 74

El olfato artificial (XLIX)Ventajas e inconvenientes

• Ventajas frente a la nariz biológica:– Genera una salida cuantitativa– Es fácil de automatizar– Puede usarse en análisis en tiempo real– Humanos entrenados son caros y su respuesta varía– Productos químicos peligrosos

• Inconvenientes– Sensibilidad a variaciones ambientales– Reproducibilidad de resultados (deriva)

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Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 75

El olfato artificial (L)Necesidades

• Concentración de la muestra sin pérdida de olor

• Arrays más sensibles para aplicaciones especiales

• Sistemas 100 veces mejores en los polímeros conductores podrían permitir una nariz artificial portátil equivalente a la humana

• Sistemas de 10 a 100 veces más rápido en tiempo de recuperación que los actuales para aplicarse en muchas aplicaciones de mucho volumen.

• Desviaciones menores del 5% en su tiempo de vida así como de una partida a otra

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El gusto artificial (I)Introducción

• Mismos principios que para el olfato artificial

• Diferencias:– Medio líquido– Sustancias y fenómenos químicos

• Menos importantes que el olfato (desde el punto de vista de su potencia discriminativa)

• Trabajos orientados a la “fusión sensorial”

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Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 77

El gusto artificial (II)Aplicaciones y productos comerciales (I)

• Detección de cualidades de vinos, agua mineral

Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 78

El gusto artificial (III)Aplicaciones y productos comerciales (II)

• Array de centenares de sensores

• Cambios en el color de los sensores

• Procesamiento de la imagen para identificación

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Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 79

Filosofía

• ¿Hacen falta los sentidos para el aprendizaje? (Hellen Keller)

• ¿Cuántos?...

• Fusión sensorial (por ahora sólo aplicado a comida y bebida).

• Olor a “miedo” ¿huelen las emociones?

• Olores y memoria: ¿Terapia olorosa?

• Aprendizaje de olores (bebés)

• Elección de pareja

Ingeniería Neurosensorial. El olfato y el gusto 80

¿ Preguntas ?