Alex Wiltschko begann als Teenager Parfums zu sammeln. Seine erste Flasche war Azzaro Pour Homme, ein zeitloses Eau de Cologne, das er im Regal eines Kaufhauses von TJ Maxx entdeckte. Er erkannte den Namen von Parfums: Der Leitfaden, ein Buch, dessen poetische Beschreibungen von Aromen seine Obsession ausgelöst hatten. Verzaubert sparte er sein Taschengeld, um es seiner Sammlung hinzuzufügen. „Am Ende bin ich absolut in den Kaninchenbau gegangen“, sagte er.
In jüngerer Zeit als olfaktorischer Neurowissenschaftler für Google Research Brain-Teamnutzte Wiltschko maschinelles Lernen, um unseren ältesten und am wenigsten verstandenen Sinn zu analysieren. Manchmal sah er seine Kollegen fast sehnsüchtig an, die die anderen Sinne studierten. „Sie haben diese wunderschönen intellektuellen Strukturen, diese Kathedralen des Wissens“, sagte er, die die visuelle und auditive Welt erklären und unser Wissen über den Geruchssinn beschämen.
Jüngste Arbeiten von Wiltschko und seinen Kollegen tragen jedoch dazu bei, dies zu ändern. Im ein Papier erstmals im Juli auf dem Preprint-Server biorxiv.org veröffentlicht, beschrieben sie die Verwendung von maschinellem Lernen, um eine seit langem bestehende Herausforderung in der Geruchswissenschaft anzugehen. Ihre Ergebnisse verbesserten die Fähigkeit der Forscher, den Geruch eines Moleküls aus seiner Struktur zu berechnen, erheblich. Darüber hinaus gab die Art und Weise, wie sie diese Berechnungen verbesserten, neue Einblicke in die Funktionsweise unseres Geruchssinns und enthüllte eine verborgene Ordnung in der Art und Weise, wie unsere Wahrnehmung von Gerüchen mit der Chemie der lebenden Welt korrespondiert.
Wenn Sie einen Hauch Ihres Morgenkaffees einatmen, wandern 800 verschiedene Arten von Molekülen zu Ihren Geruchsrezeptoren. Aus der Komplexität dieses reichhaltigen chemischen Porträts synthetisiert unser Gehirn eine Gesamtwahrnehmung: Kaffee. Forscher fanden es jedoch außerordentlich schwierig vorherzusagen, wie auch nur ein einziges Molekül für uns Menschen riechen wird. Unsere Nasen beherbergen 400 verschiedene Rezeptoren zur Erkennung der chemischen Zusammensetzung der Welt um uns herum, und wir fangen gerade erst an zu ergründen, wie viele dieser Rezeptoren mit einem bestimmten Molekül interagieren können. Aber selbst mit diesem Wissen ist nicht klar, wie sich Kombinationen von Geruchseingaben auf unsere Wahrnehmung von Düften als süß, moschusartig, ekelhaft und mehr auswirken.
"Es gab kein klares Modell, das Vorhersagen darüber geben würde, wie die meisten Moleküle riechen", sagte er Paul Meyer, der biomedizinische Analytik und Geruchsmodellierung bei IBM Research studiert und an der jüngsten Studie nicht beteiligt war. Meyer beschloss, das ikonische Struktur-zu-Geruch-Problem in den Fokus von IBM zu rücken 2015 DREAM-Challenge, ein Computer-Crowdsourcing-Wettbewerb. Die Teams wetteiferten darum, Modelle zu bauen, die den Geruch eines Moleküls anhand seiner Struktur vorhersagen konnten.
Aber auch die besten Models konnten nicht alles erklären. Durch die Daten gespickt waren lästige, unregelmäßige Fälle, die sich einer Vorhersage widersetzten. Manchmal führten kleine Änderungen an der chemischen Struktur eines Moleküls zu einem völlig neuen Geruch. In anderen Fällen veränderten größere strukturelle Veränderungen den Geruch kaum.
Eine Stoffwechselorganisation für Gerüche
Um diese unregelmäßigen Fälle zu erklären, betrachteten Wiltschko und sein Team die Anforderungen, die die Evolution an unsere Sinne gestellt haben könnte. Jeder Sinn wurde über Millionen von Jahren darauf abgestimmt, die auffälligsten Reize zu erkennen. Für das menschliche Sehen und Hören sind das Licht mit Wellenlängen von 400-700 Nanometern und Schallwellen zwischen 20 und 20,000 Hertz. Aber was regiert die chemische Welt, die unsere Nase entdeckt?
„Das Einzige, was im Laufe der Evolution konstant geblieben ist, zumindest seit sehr langer Zeit, ist der zentrale Stoffwechselmotor in jedem Lebewesen“, sagte Wiltschko, der kürzlich Google Research verlassen hat, um ein zu werden Entrepreneur-in-Residence bei der Venture-Capital-Tochter GV von Alphabet.
Stoffwechsel bezieht sich auf eine Reihe chemischer Reaktionen – einschließlich des Krebszyklus, der Glykolyse, des Harnstoffzyklus und vieler anderer Prozesse – die durch zelluläre Enzyme katalysiert werden und in den Zellen ein Molekül in ein anderes umwandeln. Diese ausgetretenen Reaktionspfade definieren eine Karte der Beziehungen zwischen den natürlich vorkommenden Chemikalien, die in unsere Nasen wehen.
Wiltschkos Hypothese war einfach: Vielleicht sind ähnlich riechende Chemikalien nicht nur chemisch, sondern auch biologisch verwandt.
Um die Idee zu testen, benötigte sein Team eine Karte der Stoffwechselreaktionen, die in der Natur ablaufen. Glücklicherweise hatten Wissenschaftler auf dem Gebiet der Metabolomik bereits eine große Datenbank aufgebaut, die diese natürlichen chemischen Beziehungen und die Enzyme, die sie auslösen, umriss. Mit diesen Daten konnten die Forscher zwei Geruchsmoleküle auswählen und berechnen, wie viele enzymatische Reaktionen erforderlich wären, um das eine in das andere umzuwandeln.
Zum Vergleich benötigten sie auch ein Computermodell, das quantifizieren konnte, wie verschiedene Geruchsmoleküle für den Menschen riechen. Zu diesem Zweck hatte Wiltschkos Team ein neuronales Netzwerkmodell namens the verfeinert Hauptgeruchskarte die auf den Erkenntnissen des DREAM-Wettbewerbs 2015 aufbaut. Diese Karte ist wie eine Wolke aus 5,000 Punkten, die jeweils den Geruch eines Moleküls darstellen. Die Punkte für Moleküle, die ähnlich riechen, häufen sich aneinander, und diejenigen, die sehr unterschiedlich riechen, liegen weit auseinander. Da die Cloud viel mehr als 3D ist – sie enthält 256 Informationsdimensionen – können nur fortschrittliche Computertools mit ihrer Struktur fertig werden.
Die Forscher suchten nach entsprechenden Zusammenhängen innerhalb der beiden Datenquellen. Sie untersuchten 50 Molekülpaare und stellten fest, dass Chemikalien, die näher auf der Stoffwechselkarte lagen, auch tendenziell näher auf der Geruchskarte lagen, selbst wenn sie sehr unterschiedliche Strukturen hatten.
Wiltschko war erstaunt über die Korrelation. Die Vorhersagen seien immer noch nicht perfekt, aber sie seien besser als jedes frühere Modell allein mit der chemischen Struktur erreicht habe, sagte er.
„Das hätte überhaupt nicht passieren müssen“, sagte er. „Zwei Moleküle, die biologisch ähnlich sind, wie ein Enzymkatalyseschritt, sie könnten nach Rosen und faulen Eiern riechen.“ Aber sie taten es nicht. „Und das ist verrückt nach mir. Es ist schön für mich.“
Die Forscher fanden auch heraus, dass Moleküle, die normalerweise zusammen in der Natur vorkommen – zum Beispiel die verschiedenen chemischen Bestandteile einer Orange – dazu neigen, ähnlicher zu riechen als Moleküle ohne eine natürliche Assoziation.
Chemisch auf die Natur abgestimmt
Die Ergebnisse seien „intuitiv und elegant“, hieß es Robert Datta, ein Neurobiologe an der Harvard Medical School und Wiltschkos ehemaliger Doktorvater, der nicht an der jüngsten Studie beteiligt war. "Es ist, als wäre das Geruchssystem dafür gebaut, eine Vielzahl von [chemischen] Koinzidenzen zu erkennen", sagte er. „Der Stoffwechsel regelt also die Zufälle, die möglich sind.“ Dies deutet darauf hin, dass es neben der chemischen Struktur eines Moleküls noch ein weiteres Merkmal gibt, das für unsere Nase von Bedeutung ist – der Stoffwechselprozess, der das Molekül in der Natur hervorgebracht hat.
„Das olfaktorische System ist auf das Universum abgestimmt, das es sieht, nämlich diese Molekülstrukturen. Und wie diese Moleküle hergestellt werden, ist ein Teil davon“, sagte Meyer. Er lobte die Cleverness der Idee, den Stoffwechsel zu nutzen, um die Kategorisierung von Düften zu verfeinern. Obwohl die stoffwechselbasierte Karte strukturelle Modelle nicht drastisch verbessert, da der metabolische Ursprung eines Moleküls bereits eng mit seiner Struktur verbunden ist, „bringt sie einige zusätzliche Informationen“, sagte er.
Die nächste Grenze der olfaktorischen Neurowissenschaften wird die Gerüche von Mischungen anstelle von einzelnen Molekülen umfassen, prognostiziert Meyer. Im wirklichen Leben atmen wir sehr selten nur eine Chemikalie auf einmal ein; Denken Sie an die Hunderte, die aus Ihrer Kaffeetasse wehen. Derzeit haben Wissenschaftler nicht genügend Daten über Geruchsstoffmischungen, um ein Modell wie das für reine Chemikalien zu erstellen, das in der jüngsten Studie verwendet wurde. Um unseren Geruchssinn wirklich zu verstehen, müssen wir untersuchen, wie Konstellationen von Chemikalien interagieren, um komplexe Gerüche wie die in Wiltschkos Parfümflakons zu bilden.
Dieses Projekt hat bereits verändert, wie Wiltschko über seine lebenslange Leidenschaft denkt. Wenn Sie einen Geruch wahrnehmen, „nehmen Sie Teile eines anderen Lebewesens wahr“, sagte er. „Ich finde das einfach wunderschön. Auf diese Weise fühle ich mich mehr mit dem Leben verbunden.“
Anmerkung des Herausgebers: Datta, ein Ermittler der Simons Collaboration on Plasticity and the Aging Brain und SFARI, erhält finanzielle Unterstützung von der Simons Foundation, die auch dieses redaktionell unabhängige Magazin sponsert.
