Η μηχανική μάθηση υπογραμμίζει μια κρυφή σειρά στα αρώματα

Ο Alex Wiltschko άρχισε να συλλέγει αρώματα ως έφηβος. Το πρώτο του μπουκάλι ήταν η Azzaro Pour Homme, μια διαχρονική κολόνια που εντόπισε στο ράφι ενός T.J. Πολυκατάστημα Maxx. Αναγνώρισε το όνομα από το Perfumes:The Guide , ένα βιβλίο του οποίου οι ποιητικές περιγραφές του αρώματος είχαν πυροδοτήσει την εμμονή του. Μαγεμένος, μάζεψε το επίδομά του για να το προσθέσει στη συλλογή του. «Κατέληξα να κατέβω τελείως στην τρύπα του κουνελιού», είπε.

Πιο πρόσφατα, ως οσφρητικός νευροεπιστήμονας για την ομάδα εγκεφάλου της Google Research, ο Wiltschko χρησιμοποίησε τη μηχανική μάθηση για να ανατέμνει την πιο αρχαία και λιγότερο κατανοητή αίσθηση μας. Μερικές φορές κοίταζε σχεδόν με λαχτάρα τους συναδέλφους του που μελετούσαν τις άλλες αισθήσεις. «Έχουν αυτές τις όμορφες πνευματικές δομές, αυτούς τους καθεδρικούς ναούς της γνώσης», είπε, που εξηγούν τον οπτικό και ακουστικό κόσμο, ντροπιάζοντας όσα γνωρίζουμε για την όσφρηση.

Ωστόσο, η πρόσφατη δουλειά του Wiltschko και των συναδέλφων του βοηθά να αλλάξει αυτό. Σε ένα έγγραφο που δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά στον διακομιστή προεκτύπωσης biorxiv.org τον Ιούλιο, περιέγραψαν τη χρήση μηχανικής μάθησης για την αντιμετώπιση μιας μακροχρόνιας πρόκλησης στην επιστήμη της όσφρησης. Τα ευρήματά τους βελτίωσαν σημαντικά την ικανότητα των ερευνητών να υπολογίζουν τη μυρωδιά ενός μορίου από τη δομή του. Επιπλέον, ο τρόπος που βελτίωσαν αυτούς τους υπολογισμούς έδωσε νέες ιδέες για το πώς λειτουργεί η όσφρησή μας, αποκαλύπτοντας μια κρυφή σειρά στον τρόπο με τον οποίο οι αντιλήψεις μας για τις μυρωδιές αντιστοιχούν στη χημεία του ζωντανού κόσμου.

Όταν εισπνέετε μια μυρωδιά από τον πρωινό σας καφέ, 800 διαφορετικοί τύποι μορίων ταξιδεύουν στους υποδοχείς της μυρωδιάς σας. Από την πολυπλοκότητα αυτού του πλούσιου χημικού πορτρέτου, ο εγκέφαλός μας συνθέτει μια συνολική αντίληψη:τον καφέ. Ωστόσο, οι ερευνητές βρήκαν εξαιρετικά δύσκολο να προβλέψουν πώς θα μυρίζει ακόμη και ένα μόνο μόριο σε εμάς τους ανθρώπους. Η μύτη μας φιλοξενεί 400 διαφορετικούς υποδοχείς για την ανίχνευση της χημικής σύνθεσης του κόσμου γύρω μας, και μόλις αρχίζουμε να καταλαβαίνουμε πόσοι από αυτούς τους υποδοχείς μπορούν να αλληλεπιδράσουν με ένα δεδομένο μόριο. Αλλά ακόμη και με αυτή τη γνώση, δεν είναι ξεκάθαρο πώς οι συνδυασμοί εισροών οσμών αντιστοιχούν στις αντιλήψεις μας για τα αρώματα ως γλυκά, μοσχοβολιστά, αηδιαστικά και πολλά άλλα.

«Δεν υπήρχε ξεκάθαρο μοντέλο που θα σας έδινε προβλέψεις για το πώς μυρίζουν τα περισσότερα μόρια», είπε ο Pablo Meyer, ο οποίος μελετά βιοϊατρικές αναλύσεις και τη μοντελοποίηση της όσφρησης στην IBM Research και δεν συμμετείχε στην πρόσφατη μελέτη. Ο Meyer αποφάσισε να καταστήσει το εμβληματικό πρόβλημα δομής προς άρωμα στο επίκεντρο της πρόκλησης DREAM του 2015 της IBM, ενός διαγωνισμού crowdsourcing υπολογιστών. Ομάδες διαγωνίστηκαν για την κατασκευή μοντέλων που θα μπορούσαν να προβλέψουν την οσμή ενός μορίου από τη δομή του.

Αλλά ακόμη και τα καλύτερα μοντέλα δεν μπορούσαν να τα εξηγήσουν όλα. Σε όλα τα δεδομένα υπήρχαν ενοχλητικές, ακανόνιστες περιπτώσεις που αντιστάθηκαν στην πρόβλεψη. Μερικές φορές, μικρές τροποποιήσεις στη χημική δομή ενός μορίου απέδιδαν μια εντελώς νέα μυρωδιά. Άλλες φορές, σημαντικές δομικές αλλαγές μετά βίας άλλαξαν την οσμή.

Ένας Μεταβολικός Οργανισμός για Οσμές

Για να προσπαθήσουν να εξηγήσουν αυτές τις ακανόνιστες περιπτώσεις, ο Wiltschko και η ομάδα του εξέτασαν τις απαιτήσεις που θα μπορούσε να έχει επιβάλει η εξέλιξη στις αισθήσεις μας. Κάθε αίσθηση έχει συντονιστεί εδώ και εκατομμύρια χρόνια για να ανιχνεύσει το πιο σημαντικό φάσμα ερεθισμάτων. Για την ανθρώπινη όραση και ακοή, αυτό είναι φως με μήκη κύματος από 400-700 νανόμετρα και ηχητικά κύματα μεταξύ 20 και 20.000 Hertz. Αλλά τι διέπει τον χημικό κόσμο που ανιχνεύεται από τη μύτη μας;

«Το μόνο πράγμα που ήταν σταθερό κατά τη διάρκεια του εξελικτικού χρόνου, τουλάχιστον από πολύ καιρό πριν, είναι η βασική μεταβολική μηχανή μέσα σε κάθε ζωντανό πράγμα», είπε ο Wiltschko, ο οποίος πρόσφατα εγκατέλειψε την Google Research για να γίνει επιχειρηματίας στην Alphabet's. θυγατρική εταιρεία επιχειρηματικών κεφαλαίων, GV.

Ο μεταβολισμός αναφέρεται στα σύνολα χημικών αντιδράσεων - συμπεριλαμβανομένου του κύκλου Krebs, της γλυκόλυσης, του κύκλου της ουρίας και πολλών άλλων διεργασιών - που καταλύονται από κυτταρικά ένζυμα και που μετατρέπουν ένα μόριο σε ένα άλλο στα κύτταρα. Αυτά τα φθαρμένα μονοπάτια αντίδρασης καθορίζουν έναν χάρτη σχέσεων μεταξύ των φυσικών χημικών ουσιών που απλώνονται στη μύτη μας.

Η υπόθεση του Wiltschko ήταν απλή:Ίσως οι χημικές ουσίες που μυρίζουν παρόμοια δεν σχετίζονται μόνο χημικά, αλλά και βιολογικά.

Για να δοκιμάσει την ιδέα, η ομάδα του χρειαζόταν έναν χάρτη των μεταβολικών αντιδράσεων που συμβαίνουν στη φύση. Ευτυχώς, οι επιστήμονες στον τομέα της μεταβολομικής είχαν ήδη κατασκευάσει μια μεγάλη βάση δεδομένων που περιέγραφε αυτές τις φυσικές χημικές σχέσεις και τα ένζυμα που τις καθιζάνουν. Με αυτά τα δεδομένα, οι ερευνητές θα μπορούσαν να επιλέξουν δύο μυρωδάτα μόρια και να υπολογίσουν πόσες ενζυματικές αντιδράσεις θα χρειαζόταν για να μετατραπεί το ένα στο άλλο.

Για σύγκριση, χρειάζονταν επίσης ένα μοντέλο υπολογιστή που θα μπορούσε να ποσοτικοποιήσει το πώς μυρίζουν διάφορα δύσοσμα μόρια στον άνθρωπο. Για το σκοπό αυτό, η ομάδα του Wiltschko είχε βελτιώσει ένα μοντέλο νευρωνικού δικτύου που ονομάζεται ο κύριος χάρτης οσμών που βασίστηκε στα ευρήματα του διαγωνισμού DREAM του 2015. Αυτός ο χάρτης είναι σαν ένα σύννεφο 5.000 σημείων, που το καθένα αντιπροσωπεύει το άρωμα ενός μορίου. Τα σημεία για τα μόρια που μυρίζουν παρόμοια συγκεντρώνονται και αυτά που μυρίζουν πολύ διαφορετικά απέχουν πολύ μεταξύ τους. Επειδή το σύννεφο είναι πολύ περισσότερο από 3D — περιέχει 256 διαστάσεις πληροφοριών — μόνο προηγμένα υπολογιστικά εργαλεία μπορούν να αντιμετωπίσουν τη δομή του.

Οι ερευνητές αναζήτησαν αντίστοιχες σχέσεις μέσα στις δύο πηγές δεδομένων. Πήραν δείγματα από 50 ζεύγη μορίων και διαπίστωσαν ότι οι χημικές ουσίες που βρίσκονταν πιο κοντά στον χάρτη του μεταβολισμού έτειναν επίσης να είναι πιο κοντά στον χάρτη των αρωμάτων, ακόμα κι αν είχαν πολύ διαφορετικές δομές.

Ο Wiltschko έμεινε έκπληκτος από τη συσχέτιση. Οι προβλέψεις εξακολουθούσαν να μην ήταν τέλειες, αλλά ήταν καλύτερες από ό,τι είχε πετύχει οποιοδήποτε προηγούμενο μοντέλο μόνο με τη χημική δομή, είπε.

«Αυτό δεν έπρεπε να συμβεί καθόλου», είπε. «Δύο μόρια που είναι βιολογικά παρόμοια, όπως ένα βήμα κατάλυσης ενζύμου, θα μπορούσαν να μυρίζουν σαν τριαντάφυλλα και σάπια αυγά». Αλλά δεν το έκαναν. «Και αυτό είναι τρελό για μένα. Είναι όμορφο για μένα."

Οι ερευνητές ανακάλυψαν επίσης ότι τα μόρια που γενικά απαντώνται μαζί στη φύση - για παράδειγμα, τα διαφορετικά χημικά συστατικά ενός πορτοκαλιού - τείνουν να μυρίζουν πιο παρόμοια από τα μόρια χωρίς φυσική συσχέτιση.

Χημικά Συντονισμένος με τη Φύση

Τα ευρήματα είναι «διαισθητικά και κομψά», δήλωσε ο Robert Datta, νευροβιολόγος στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ και πρώην διδακτορικός σύμβουλος του Wiltschko, ο οποίος δεν συμμετείχε στην πρόσφατη μελέτη. «Είναι σαν το οσφρητικό σύστημα να είναι φτιαγμένο για να ανιχνεύει μια ποικιλία [χημικών] συμπτώσεων», είπε. «Έτσι ο μεταβολισμός διέπει τις συμπτώσεις που είναι πιθανές». Αυτό δείχνει ότι υπάρχει ένα άλλο χαρακτηριστικό εκτός από τη χημική δομή ενός μορίου που έχει σημασία για τη μύτη μας — η μεταβολική διαδικασία που παρήγαγε το μόριο στον φυσικό κόσμο.

«Το οσφρητικό σύστημα είναι συντονισμένο για το σύμπαν που βλέπει, που είναι αυτές οι δομές μορίων. Και το πώς κατασκευάζονται αυτά τα μόρια είναι μέρος αυτού», είπε ο Meyer. Επαίνεσε την εξυπνάδα της ιδέας της χρήσης του μεταβολισμού για τη βελτίωση της κατηγοριοποίησης των αρωμάτων. Αν και ο χάρτης που βασίζεται στον μεταβολισμό δεν βελτιώνεται δραστικά σε δομικά μοντέλα, καθώς η μεταβολική προέλευση ενός μορίου είναι ήδη στενά συνδεδεμένη με τη δομή του, "φέρνει κάποιες επιπλέον πληροφορίες", είπε.

Το επόμενο όριο της οσφρητικής νευροεπιστήμης θα περιλαμβάνει τις οσμές μειγμάτων αντί για μεμονωμένα μόρια, προβλέπει ο Meyer. Στην πραγματική ζωή, πολύ σπάνια εισπνέουμε μόνο μία χημική ουσία τη φορά. σκεφτείτε τις εκατοντάδες που ξεχύνονται από την κούπα του καφέ σας. Αυτήν τη στιγμή, οι επιστήμονες δεν έχουν αρκετά δεδομένα για μείγματα αρωματικών ουσιών για να φτιάξουν ένα μοντέλο όπως αυτό για καθαρές χημικές ουσίες που χρησιμοποιήθηκαν στην πρόσφατη μελέτη. Για να κατανοήσουμε πραγματικά την όσφρησή μας, θα πρέπει να εξετάσουμε πώς αλληλεπιδρούν αστερισμοί χημικών ουσιών για να σχηματίσουν περίπλοκες οσμές όπως αυτές στα μπουκάλια αρωμάτων του Wiltschko.

Αυτό το έργο έχει ήδη αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο σκέφτεται ο Wiltschko για το πάθος του. Όταν αισθάνεστε μια μυρωδιά, «αντιλαμβάνεστε μέρη ενός άλλου ζωντανού πράγματος», είπε. «Νομίζω ότι είναι πολύ όμορφο. Νιώθω πιο συνδεδεμένος με τη ζωή με αυτόν τον τρόπο.”

Σημείωση του συντάκτη:Η Datta, ερευνήτρια της Simons Collaboration on Plasticity and the Aging Brain και της SFARI, λαμβάνει χρηματοδότηση από το Ίδρυμα Simons, το οποίο επίσης χορηγεί αυτό το εκδοτικά ανεξάρτητο περιοδικό.