Alex Wiltschko hakkas parfüüme koguma teismelisena. Tema esimene pudel oli Azzaro Pour Homme, ajatu odekolonn, mille ta märkas T.J. riiulil. Maxx kaubamaja. Ta tundis selle nime ära Parfüümid: juhend, raamat, mille aroomi poeetilised kirjeldused olid tema kinnisidee käivitanud. Võlutuna hoidis ta raha kokku, et oma kollektsiooni täiendada. "Lõpuks läksin täiesti jäneseauku alla," ütles ta.
Hiljuti Google Researchi haistmisneuroteadlasena Aju meeskond, Wiltschko kasutas masinõpet meie kõige iidseima ja kõige vähem mõistetava meele lahkamiseks. Mõnikord vaatas ta peaaegu igatsevalt teisi meeli uurivaid kolleege. "Neil on need kaunid intellektuaalsed struktuurid, need teadmiste katedraalid," ütles ta, mis selgitavad visuaalset ja kuulmismaailma, häbistades seda, mida me haistmisest teame.
Wiltschko ja tema kolleegide hiljutine töö aitab seda aga muuta. sisse paber Esimest korda postitati biorxiv.org eelprintserverisse juulis, kirjeldasid nad masinõppe kasutamist haistmisteaduse pikaajalise väljakutse lahendamiseks. Nende leiud parandasid oluliselt teadlaste võimet arvutada molekuli lõhna selle struktuuri põhjal. Veelgi enam, viis, kuidas nad neid arvutusi täiustasid, andis uusi teadmisi meie haistmismeele toimimisest, paljastades varjatud korra selles, kuidas meie lõhnataju vastab elava maailma keemiale.
Kui hingate sisse hõngu oma hommikukohvi, liigub teie lõhnaretseptoritesse 800 erinevat tüüpi molekuli. Selle rikkaliku keemilise portree keerukusest lähtudes sünteesivad meie ajud üldise ettekujutuse: kohvi. Teadlastel on aga erakordselt raske ennustada, kuidas meie, inimeste jaoks lõhnab isegi üksainus molekul. Meie ninas on 400 erinevat retseptorit meid ümbritseva maailma keemilise koostise tuvastamiseks ja me alles hakkame aru saama, kui paljud neist retseptoritest võivad antud molekuliga suhelda. Kuid isegi nende teadmistega pole selge, kuidas lõhnade kombinatsioonid mõjutavad meie arusaamu lõhnadest kui magusatest, muskuselistest, vastikust ja muust.
"Puudus selget mudelit, mis annaks teile ennustusi selle kohta, kuidas enamik molekule lõhnab, " ütles Pablo Meyer, kes uurib IBM Researchis biomeditsiinianalüüsi ja haistmise modelleerimist ning ei osalenud hiljutises uuringus. Meyer otsustas muuta IBM-i keskmeks ikoonilise struktuuri ja lõhna probleemi 2015. aasta DREAM väljakutse, andmetöötluse ühishangete võistlus. Meeskonnad võistlesid, et ehitada mudeleid, mis suudaksid molekuli lõhna selle struktuuri järgi ennustada.
Kuid isegi parimad modellid ei suutnud kõike selgitada. Kogu andmete hulgas olid tüütud, ebaregulaarsed juhtumid, mis olid ennustustele vastu. Mõnikord andsid molekuli keemilise struktuuri väikesed muudatused täiesti uue lõhna. Muul ajal ei muutnud suured struktuurimuudatused lõhna peaaegu.
Lõhnade metaboolne organisatsioon
Nende ebaregulaarsete juhtumite selgitamiseks kaalusid Wiltschko ja tema meeskond nõudeid, mida evolutsioon võis meie meeltele kehtestada. Iga meelt on miljonite aastate jooksul häälestatud, et tuvastada kõige silmatorkavam stiimulite hulk. Inimese nägemise ja kuulmise jaoks on see valgus lainepikkusega 400–700 nanomeetrit ja helilained vahemikus 20–20,000 XNUMX hertsi. Kuid mis juhib meie nina poolt tuvastatud keemilist maailma?
"Üks asi, mis on evolutsiooni jooksul olnud konstantne, vähemalt väga kaua aega tagasi, on iga elusolendi põhiline metaboolne mootor," ütles Wiltschko, kes lahkus hiljuti Google Researchist, et saada resident-ettevõtja Alphabeti riskikapitali tütarettevõttes GV.
Ainevahetus viitab keemiliste reaktsioonide kogumitele - sealhulgas Krebsi tsükkel, glükolüüs, uurea tsükkel ja paljud muud protsessid -, mida katalüüsivad raku ensüümid ja mis muudavad rakkudes ühe molekuli teiseks. Need kulunud reaktsiooniteed määratlevad meie ninna tungivate looduslikult esinevate kemikaalide suhete kaardi.
Wiltschko hüpotees oli lihtne: võib-olla pole sarnase lõhnaga kemikaalid mitte ainult keemiliselt, vaid ka bioloogiliselt seotud.
Idee testimiseks vajas tema meeskond looduses esinevate metaboolsete reaktsioonide kaarti. Õnneks olid metaboloomika valdkonna teadlased juba koostanud suure andmebaasi, mis kirjeldas neid looduslikke keemilisi seoseid ja neid sadestavaid ensüüme. Nende andmete põhjal said teadlased valida kaks lõhnavat molekuli ja arvutada, kui palju ensümaatilisi reaktsioone kuluks ühe teiseks muutmiseks.
Võrdluseks vajasid nad ka arvutimudelit, mis suudaks kvantifitseerida, kuidas erinevad lõhnamolekulid inimestele lõhnavad. Sel eesmärgil oli Wiltschko meeskond viimistlenud närvivõrgu mudelit nimega peamine lõhnakaart mis tugines 2015. aasta DREAM konkursi tulemustele. See kaart on nagu 5,000 punktist koosnev pilv, millest igaüks esindab ühe molekuli lõhna. Sarnaselt lõhnavate molekulide punktid ja väga erinevalt lõhnavate molekulide punktid on üksteisest kaugel. Kuna pilv on palju enamat kui 3D – see sisaldab 256 mõõdet teavet –, saavad selle struktuuriga hakkama saada ainult täiustatud andmetöötlustööriistad.
Teadlased otsisid vastavaid seoseid kahe andmeallika vahel. Nad võtsid proovid 50 paari molekulidest ja leidsid, et ainevahetuse kaardil lähemal olevad kemikaalid olid ka lõhnakaardil lähemal, isegi kui neil oli väga erinev struktuur.
Wiltschko oli korrelatsioonist üllatunud. Ta ütles, et ennustused ei olnud endiselt täiuslikud, kuid need olid paremad kui ükski eelmine mudel, mis oli saavutatud ainult keemilise struktuuriga.
"See ei pidanud üldse juhtuma," ütles ta. "Kaks bioloogiliselt sarnast molekuli, nagu üks ensüümi katalüüsi samm, võivad nad lõhnata nagu roosid ja mädamunad." Aga nad ei teinud seda. "Ja see on minu jaoks hull. See on minu jaoks ilus."
Teadlased leidsid ka, et üldiselt looduses koos esinevad molekulid – näiteks apelsini erinevad keemilised komponendid – kipuvad lõhnama sarnasemalt kui molekulid, millel puudub loomulik seos.
Keemiliselt loodusega häälestatud
Leiud on "intuitiivsed ja elegantsed", ütles Robert Datta, Harvardi meditsiinikooli neurobioloog ja Wiltschko endine doktoriõppe nõustaja, kes ei osalenud hiljutises uuringus. "See on nagu haistmissüsteem, mis võimaldab tuvastada mitmesuguseid [keemilisi] kokkusattumusi," ütles ta. "Nii et ainevahetus reguleerib võimalikke kokkusattumusi." See näitab, et peale molekuli keemilise struktuuri on veel üks omadus, mis meie nina jaoks oluline on – ainevahetusprotsess, mis tekitas molekuli loodusmaailmas.
"Haistmissüsteem on häälestatud selle universumi jaoks, mida ta näeb, mis on need molekulide struktuurid. Ja see, kuidas neid molekule tehakse, on osa sellest, ”ütles Meyer. Ta kiitis selle idee nutikust kasutada ainevahetust lõhnade kategoriseerimise täpsustamiseks. Kuigi ainevahetuspõhine kaart ei paranda drastiliselt struktuurseid mudeleid, kuna molekuli metaboolne päritolu on juba tihedalt seotud selle struktuuriga, "toob see lisateavet," ütles ta.
Haistmisneuroteaduse järgmine piir hõlmab üksikute molekulide asemel segude lõhnu, ennustab Meyer. Päriselus hingame väga harva sisse ainult ühte kemikaali korraga; mõelge sadadele, mis teie kohvikruusist õhkuvad. Praegu pole teadlastel piisavalt andmeid lõhnasegude kohta, et luua selline mudel, nagu hiljutises uuringus kasutatud puhaste kemikaalide jaoks. Oma haistmismeele tõeliselt mõistmiseks peame uurima, kuidas kemikaalide tähtkujud interakteeruvad, moodustades keerulisi lõhnu, nagu Wiltschko parfüümipudelites.
See projekt on juba muutnud seda, kuidas Wiltschko mõtleb oma elukestvast kirest. Kui tunnete lõhna, "tajute mõne teise elusolendi osi," ütles ta. "Ma arvan, et see on tõesti ilus. Tunnen end sel viisil eluga rohkem seotuna.
Toimetaja märkus: Simonsi plastilisuse ja vananemise aju koostöö ning SFARI uurija Datta saab raha Simonsi fondilt, mis sponsoreerib ka seda toimetuslikult sõltumatut ajakirja.
