Alex Wiltschko begyndte at samle parfume som teenager. Hans første flaske var Azzaro Pour Homme, en tidløs cologne, han så på hylden i et TJ Maxx stormagasin. Han genkendte navnet fra Parfumer: Guiden, en bog, hvis poetiske beskrivelser af aroma havde kickstartet hans besættelse. Fortryllet sparede han op for at tilføje til sin samling. "Jeg endte med at gå helt ned i kaninhullet," sagde han.
For nylig som olfaktorisk neuroforsker for Google Research's Hjerneteam, brugte Wiltschko maskinlæring til at dissekere vores ældste og mindst forståede sans. Nogle gange så han nærmest længselsfuldt på sine kolleger, der studerede de andre sanser. "De har disse smukke intellektuelle strukturer, disse katedraler af viden," sagde han, der forklarer den visuelle og auditive verden, og gør det til skamme for det, vi ved om lugte.
Det seneste arbejde af Wiltschko og hans kolleger er dog med til at ændre det. I et papir første gang opslået på biorxiv.org preprint-serveren i juli, beskrev de brugen af maskinlæring til at tackle en langvarig udfordring inden for lugtevidenskab. Deres resultater forbedrede markant forskernes evne til at beregne lugten af et molekyle ud fra dets struktur. Desuden gav den måde, de forbedrede disse beregninger på, ny indsigt i, hvordan vores lugtesans fungerer, og afslørede en skjult orden i, hvordan vores opfattelse af lugte svarer til kemien i den levende verden.
Når du inhalerer en snert af din morgenkaffe, rejser 800 forskellige typer molekyler til dine lugtreceptorer. Ud fra kompleksiteten af dette rige kemiske portræt syntetiserer vores hjerner en overordnet opfattelse: kaffe. Forskere har dog fundet det usædvanligt svært at forudsige, hvordan selv et enkelt molekyle vil lugte for os mennesker. Vores næser er vært for 400 forskellige receptorer til at detektere den kemiske sammensætning af verden omkring os, og vi er kun begyndt at fatte, hvor mange af disse receptorer, der kan interagere med et givet molekyle. Men selv med den viden er det ikke klart, hvordan kombinationer af lugtinputs rammer vores opfattelse af dufte som søde, moskusagtige, ulækre og mere.
"Der var ingen klar model, der ville give dig forudsigelser for, hvad de fleste molekyler lugter af," sagde Pablo Meyer, der studerer biomedicinsk analyse og modellering af lugte hos IBM Research og ikke var involveret i den nylige undersøgelse. Meyer besluttede at gøre det ikoniske struktur-til-duft-problem til fokus for IBM's 2015 DREAM challenge, en computing-crowdsourcing-konkurrence. Hold konkurrerede om at bygge modeller, der kunne forudsige et molekyles lugt ud fra dets struktur.
Men selv de bedste modeller kunne ikke forklare alt. Gennemgående i dataene var irriterende, uregelmæssige tilfælde, der modstod forudsigelse. Nogle gange gav små justeringer af et molekyles kemiske struktur en helt ny lugt. Andre gange ændrede store strukturelle ændringer knap lugten.
En metabolisk organisation for lugte
For at forsøge at forklare disse uregelmæssige tilfælde overvejede Wiltschko og hans team de krav, som evolutionen kunne have stillet til vores sanser. Hver sans er blevet indstillet over millioner af år for at opdage de mest fremtrædende stimuli. For menneskers syn og hørelse er det lys med bølgelængder fra 400-700 nanometer og lydbølger mellem 20 og 20,000 hertz. Men hvad styrer den kemiske verden opdaget af vores næser?
"Den ene ting, der har været konstant gennem evolutionær tid, i det mindste fra meget lang tid siden, er den kerne metaboliske motor i alt levende," sagde Wiltschko, som for nylig forlod Google Research for at blive en iværksætter-in-residence hos Alphabets venturekapital datterselskab, GV.
Metabolisme refererer til sæt af kemiske reaktioner - herunder Krebs-cyklussen, glykolyse, urinstofcyklussen og mange andre processer - der katalyseres af cellulære enzymer, og som omdanner et molekyle til et andet i celler. Disse slidte reaktionsveje definerer et kort over forholdet mellem de naturligt forekommende kemikalier, der strømmer ind i vores næser.
Wiltschkos hypotese var enkel: Måske er kemikalier, der lugter ens, ikke kun kemisk beslægtede, men også biologisk beslægtede.
For at teste ideen havde hans team brug for et kort over de metaboliske reaktioner, der opstår i naturen. Heldigvis havde forskere inden for metabolomics allerede konstrueret en stor database, der skitserede disse naturlige kemiske forhold og de enzymer, der udfælder dem. Med disse data kunne forskerne vælge to lugtende molekyler og beregne, hvor mange enzymatiske reaktioner det ville tage at omdanne den ene til den anden.
Til sammenligning havde de også brug for en computermodel, der kunne kvantificere, hvordan forskellige lugtende molekyler lugter for mennesker. Til det formål havde Wiltschkos team forfinet en neural netværksmodel kaldet vigtigste lugtkort der byggede på resultaterne af DREAM-konkurrencen 2015. Dette kort er som en sky med 5,000 punkter, der hver repræsenterer et molekyles duft. Punkterne for molekyler, der lugter ens, klynger sig sammen, og dem, der lugter meget forskelligt, er langt fra hinanden. Fordi skyen er meget mere end 3D - den rummer 256 dimensioner af information - er det kun avancerede computerværktøjer, der kan kæmpe med dens struktur.
Forskerne ledte efter tilsvarende sammenhænge inden for de to datakilder. De prøvede 50 par molekyler og fandt ud af, at kemikalier, der var tættere på stofskiftekortet, også havde en tendens til at være tættere på duftkortet, selvom de havde meget forskellige strukturer.
Wiltschko var forbløffet over sammenhængen. Forudsigelserne var stadig ikke perfekte, men de var bedre end nogen tidligere model havde opnået med kemisk struktur alene, sagde han.
"Det behøvede slet ikke at ske," sagde han. "To molekyler, der er biologisk ens, som en enzymkatalyse går væk, de kunne lugte som roser og rådne æg." Men det gjorde de ikke. "Og det er vanvittigt for mig. Det er smukt for mig."
Forskerne fandt også ud af, at molekyler, der generelt forekommer sammen i naturen - for eksempel de forskellige kemiske komponenter i en appelsin - har en tendens til at lugte mere ens end molekyler uden en naturlig association.
Kemisk tilpasset til naturen
Resultaterne er "intuitive og elegante," sagde Robert Datta, en neurobiolog ved Harvard Medical School og Wiltschkos tidligere doktorgradsrådgiver, som ikke var involveret i den nylige undersøgelse. "Det er som om lugtesystemet er bygget til at opdage en række forskellige [kemiske] tilfældigheder," sagde han. "Så stofskiftet styrer de tilfældigheder, der er mulige." Dette indikerer, at der er en anden egenskab udover et molekyles kemiske struktur, der har betydning for vores næse - den metaboliske proces, der producerede molekylet i den naturlige verden.
"Luftsystemet er indstillet til det univers, det ser, som er disse strukturer af molekyler. Og hvordan disse molekyler er lavet er en del af det,” sagde Meyer. Han roste det smarte ved ideen om at bruge stofskiftet til at forfine kategoriseringen af dufte. Selvom det metabolisme-baserede kort ikke forbedres drastisk på strukturelle modeller, da et molekyles metaboliske oprindelse allerede er tæt forbundet med dets struktur, "bringer det noget ekstra information," sagde han.
Den næste grænse for olfaktorisk neurovidenskab vil involvere lugten af blandinger i stedet for individuelle molekyler, forudsiger Meyer. I det virkelige liv inhalerer vi meget sjældent kun ét kemikalie ad gangen; tænk på de hundredvis, der svæver fra dit kaffekrus. Lige nu har forskere ikke nok data om lugtstofblandinger til at bygge en model som den for rene kemikalier, der blev brugt i den nylige undersøgelse. For virkelig at forstå vores lugtesans, bliver vi nødt til at undersøge, hvordan konstellationer af kemikalier interagerer for at danne komplekse lugte som dem i Wiltschkos parfumeflasker.
Dette projekt har allerede ændret, hvordan Wiltschko tænker om sin livslange passion. Når du oplever en lugt, "opfatter du dele af en anden levende ting," sagde han. "Jeg synes bare, det er rigtig smukt. Jeg føler mig mere forbundet med livet på den måde."
Redaktørens note: Datta, en efterforsker med Simons Collaboration on Plasticity and the Aging Brain og SFARI, modtager støtte fra Simons Foundation, som også sponsorerer dette redaktionelt uafhængige magasin.
