يبرز التعلم الآلي أمرًا خفيًا في الروائح

بدأ أليكس ويلتشكو في جمع العطور عندما كان مراهقًا. زجاجته الأولى كانت Azzaro Pour Homme ، كولونيا خالدة رصدها على الرف في متجر TJ Maxx متعدد الأقسام. تعرف على الاسم من العطور: الدليل، وهو كتاب كانت الأوصاف الشعرية للرائحة قد بدأت هوسه. مسحور ، احتفظ بدوله ليضيف إلى مجموعته. قال: "انتهى بي الأمر بالنزول في جحر الأرانب تمامًا".

في الآونة الأخيرة ، كعالم أعصاب حاسة الشم في Google Research فريق الدماغ، استخدم Wiltschko التعلم الآلي لتشريح أحاسيسنا القديمة والأقل فهماً. في بعض الأحيان كان ينظر بشوق إلى زملائه الذين يدرسون الحواس الأخرى. قال ، "لديهم هذه الهياكل الفكرية الجميلة ، وكاتدرائيات المعرفة هذه" ، التي تشرح العالم المرئي والسمعي ، مخجلة ما نعرفه عن الشم.

ومع ذلك ، فإن العمل الأخير الذي قام به ويلتشكو وزملاؤه يساعد في تغيير ذلك. في ورقة نُشروا لأول مرة على خادم ما قبل الطباعة biorxiv.org في يوليو ، ووصفوا استخدام التعلم الآلي لمواجهة تحد طويل الأمد في علوم حاسة الشم. حسنت النتائج التي توصلوا إليها بشكل كبير قدرة الباحثين على حساب رائحة الجزيء من بنيته. علاوة على ذلك ، فإن الطريقة التي قاموا بها بتحسين هذه الحسابات أعطت رؤى جديدة حول كيفية عمل حاسة الشم لدينا ، وكشفت عن ترتيب خفي في كيفية توافق إدراكنا للروائح مع كيمياء العالم الحي.

عندما تستنشق نفحة من قهوتك الصباحية ، ينتقل 800 نوع مختلف من الجزيئات إلى مستقبلات الشم. من تعقيد هذه الصورة الكيميائية الغنية ، تخلق أدمغتنا تصورًا عامًا: القهوة. وجد الباحثون أنه من الصعب للغاية ، مع ذلك ، التنبؤ بما ستشتمه حتى جزيء واحد لنا نحن البشر. تستضيف أنوفنا 400 مستقبل مختلف لاكتشاف التركيب الكيميائي للعالم من حولنا ، وقد بدأنا فقط في فهم عدد تلك المستقبلات التي يمكن أن تتفاعل مع جزيء معين. ولكن حتى مع هذه المعرفة ، ليس من الواضح كيف ترسم مجموعات مدخلات الروائح تصوراتنا عن العطور على أنها حلوة ، ومسك ، ومثير للاشمئزاز ، وأكثر من ذلك.

قال "لم يكن هناك نموذج واضح من شأنه أن يمنحك تنبؤات لما تشبه رائحة معظم الجزيئات" بابلو ماير، الذي يدرس التحليلات الطبية الحيوية ونمذجة الشم في IBM Research ولم يشارك في الدراسة الأخيرة. قرر ماير جعل مشكلة البنية إلى الرائحة الأيقونية محور تركيز شركة IBM 2015 تحدي الحلم، وهي مسابقة التعهيد الجماعي في مجال الحوسبة. تنافست الفرق لبناء نماذج يمكنها التنبؤ برائحة الجزيء من بنيته.

لكن حتى أفضل العارضين لم يتمكنوا من شرح كل شيء. كانت هناك حالات مزعجة وشاذة قاومت التنبؤ في جميع أنحاء البيانات. في بعض الأحيان ، ينتج عن التعديلات الصغيرة على التركيب الكيميائي للجزيء رائحة جديدة تمامًا. في أحيان أخرى ، تغيرت التغييرات الهيكلية الرئيسية بالكاد الرائحة.

منظمة التمثيل الغذائي للروائح

لمحاولة شرح هذه الحالات الشاذة ، نظر ويلتشكو وفريقه في المتطلبات التي قد يفرضها التطور على حواسنا. تم ضبط كل حاسة على مدى ملايين السنين لاكتشاف مجموعة المحفزات الأكثر بروزًا. بالنسبة للرؤية والسمع البشري ، هذا ضوء ذو أطوال موجية من 400-700 نانومتر وموجات صوتية بين 20 و 20,000 هرتز. لكن ما الذي يحكم العالم الكيميائي الذي تكتشفه أنوفنا؟

قال ويلتشكو ، الذي ترك أبحاث Google مؤخرًا ليصبح رجل أعمال مقيم في شركة رأس المال الاستثماري التابعة لشركة Alphabet ، GV.

يشير التمثيل الغذائي إلى مجموعات التفاعلات الكيميائية - بما في ذلك دورة كريبس ، وتحلل السكر ، ودورة اليوريا والعديد من العمليات الأخرى - التي يتم تحفيزها بواسطة الإنزيمات الخلوية والتي تحول جزيءًا إلى آخر في الخلايا. تحدد مسارات التفاعل البالية هذه خريطة للعلاقات بين المواد الكيميائية التي تحدث بشكل طبيعي والتي تنطلق في أنوفنا.

كانت فرضية ويلتشكو بسيطة: ربما لا ترتبط المواد الكيميائية التي تشبه الرائحة ارتباطًا كيميائيًا فحسب ، بل ترتبط أيضًا بيولوجيًا.

لاختبار الفكرة ، احتاج فريقه إلى خريطة تفاعلات التمثيل الغذائي التي تحدث في الطبيعة. لحسن الحظ ، أنشأ العلماء في مجال الأيض بالفعل قاعدة بيانات كبيرة توضح هذه العلاقات الكيميائية الطبيعية والإنزيمات التي تسببها. باستخدام هذه البيانات ، يمكن للباحثين اختيار جزيئين رائحتين وحساب عدد التفاعلات الأنزيمية اللازمة لتحويل أحدهما إلى الآخر.

للمقارنة ، احتاجوا أيضًا إلى نموذج كمبيوتر يمكنه تحديد كيفية شم رائحة جزيئات الرائحة المختلفة للإنسان. تحقيقًا لهذه الغاية ، كان فريق ويلتشكو قد صقل نموذجًا للشبكة العصبية يسمى خريطة الرائحة الرئيسية التي بنيت على نتائج مسابقة DREAM 2015. هذه الخريطة تشبه سحابة من 5,000 نقطة ، كل منها يمثل رائحة جزيء واحد. تتجمع نقاط الجزيئات التي تشم رائحة متشابهة معًا ، وتلك التي تشم رائحة مختلفة جدًا متباعدة. نظرًا لأن السحابة أكثر من ثلاثية الأبعاد - فهي تحتوي على 3 بُعدًا من المعلومات - فقط أدوات الحوسبة المتقدمة يمكنها التعامل مع هيكلها.

بحث الباحثون عن العلاقات المقابلة داخل مصدري البيانات. أخذوا عينات من 50 زوجًا من الجزيئات ووجدوا أن المواد الكيميائية التي كانت أقرب على خريطة التمثيل الغذائي تميل أيضًا إلى أن تكون أقرب على خريطة الرائحة ، حتى لو كانت لها هياكل مختلفة تمامًا.

اندهش ويلتشكو من هذا الارتباط. وقال إن التوقعات لا تزال غير مثالية ، لكنها كانت أفضل من أي نموذج سابق حققه مع التركيب الكيميائي وحده.

قال: "لم يكن من الضروري أن يحدث هذا على الإطلاق". "جزيئين متشابهين من الناحية البيولوجية ، مثل تحفيز إنزيم واحد بعيدًا ، يمكن أن تشم رائحتهما مثل الورود والبيض الفاسد." لكنهم لم يفعلوا. "وهذا جنوني بالنسبة لي. إنه جميل بالنسبة لي ".

وجد الباحثون أيضًا أن الجزيئات التي تحدث بشكل عام معًا في الطبيعة - على سبيل المثال ، المكونات الكيميائية المختلفة للبرتقال - تميل إلى شم رائحة أكثر تشابهًا من الجزيئات التي ليس لها ارتباط طبيعي.

منسجمة كيميائيا مع الطبيعة

وقال إن النتائج "بديهية وأنيقة" روبرت داتا، عالم الأعصاب في كلية الطب بجامعة هارفارد ومستشار الدكتوراه السابق لـ Wiltschko ، والذي لم يشارك في الدراسة الأخيرة. وقال: "إنه يشبه نظام الشم الذي تم إنشاؤه لاكتشاف مجموعة متنوعة من المصادفات [الكيميائية]". "لذا فإن عملية التمثيل الغذائي هي التي تحكم الصدف الممكنة." يشير هذا إلى أن هناك ميزة أخرى بجانب التركيب الكيميائي للجزيء والتي تهم أنوفنا - عملية التمثيل الغذائي التي أنتجت الجزيء في العالم الطبيعي.

"نظام حاسة الشم مضبوط للكون الذي يراه ، وهي هياكل الجزيئات. قال ماير: "كيف تتكون هذه الجزيئات هو جزء من ذلك". وأشاد بذكاء فكرة استخدام التمثيل الغذائي لتحسين تصنيف الروائح. على الرغم من أن الخريطة المستندة إلى التمثيل الغذائي لا تتحسن بشكل كبير في النماذج الهيكلية ، نظرًا لأن الأصل الأيضي للجزيء يرتبط بالفعل ارتباطًا وثيقًا بهيكله ، "فإنه يجلب بعض المعلومات الإضافية" ، كما قال.

يتنبأ ماير أن الحدود التالية لعلم الأعصاب الشمي ستشمل روائح المخاليط بدلاً من الجزيئات الفردية. في الحياة الواقعية ، نادرًا ما نستنشق مادة كيميائية واحدة في كل مرة ؛ فكر في مئات الهبوب من كوب القهوة الخاص بك. في الوقت الحالي ، لا يملك العلماء بيانات كافية عن مخاليط الرائحة لبناء نموذج مثل النموذج للمواد الكيميائية النقية المستخدمة في الدراسة الأخيرة. لفهم حاسة الشم لدينا حقًا ، سنحتاج إلى فحص كيفية تفاعل مجموعات من المواد الكيميائية لتكوين روائح معقدة مثل تلك الموجودة في زجاجات العطور من Wiltschko.

لقد غيّر هذا المشروع بالفعل طريقة تفكير ويلتشكو في شغفه الدائم. قال: عندما تشعر برائحة ، "فأنت ترى أجزاء من كائن حي آخر". "أنا فقط أعتقد أن هذا جميل حقًا. أشعر بارتباط أكبر بالحياة بهذه الطريقة ".

ملاحظة المحرر: داتا ، المحقق في Simons Collaboration on the Plasticity and the Aging Brain و SFARI ، يتلقى تمويلًا من مؤسسة Simons ، التي ترعى أيضًا هذه المجلة المستقلة التحرير.