یادگیری ماشینی نظم پنهان رایحه ها را برجسته می کند

الکس ویلتشکو از نوجوانی شروع به جمع آوری عطر کرد. اولین بطری او Azzaro Pour Homme بود، یک ادکلن جاودانه که او در قفسه فروشگاه TJ Maxx مشاهده کرد. او نام را از عطرها: راهنماکتابی که توصیفات شاعرانه‌اش از عطر، وسواس او را آغاز کرده بود. او که طلسم شده بود، کمک هزینه خود را پس انداز کرد تا به مجموعه خود بیافزاید. او گفت: «در نهایت از سوراخ خرگوش پایین رفتم.

اخیراً به عنوان یک عصب شناس بویایی برای تحقیقات گوگل تیم مغزویلتشکو از یادگیری ماشینی برای تشریح باستانی ترین و کم فهم ترین حس ما استفاده کرد. گاهی اوقات تقریباً با حسرت به همکارانش که حواس دیگر را مطالعه می کردند نگاه می کرد. او گفت: «آنها این ساختارهای فکری زیبا، این کلیساهای معرفت را دارند، که دنیای دیداری و شنیداری را توضیح می‌دهند و آنچه را که ما درباره بویایی می‌دانیم شرمنده می‌کنند.

با این حال، کار اخیر ویلتشکو و همکارانش به تغییر آن کمک می کند. که در یک کاغذ آنها برای اولین بار در ماه ژوئیه در سرور preprint biorxiv.org پست شدند، آنها استفاده از یادگیری ماشینی را برای مقابله با یک چالش طولانی مدت در علم بویایی توصیف کردند. یافته های آنها به طور قابل توجهی توانایی محققان را برای محاسبه بوی یک مولکول از ساختار آن بهبود بخشید. علاوه بر این، روشی که آن‌ها این محاسبات را بهبود بخشیدند، بینش جدیدی در مورد نحوه عملکرد حس بویایی ما به ارمغان می‌آورد و نظمی پنهان را در نحوه مطابقت درک ما از بوها با شیمی جهان زنده آشکار می‌کند.

هنگامی که بویی از قهوه صبح خود را استشمام می کنید، 800 نوع مولکول مختلف به گیرنده های بویایی شما می روند. از پیچیدگی این پرتره شیمیایی غنی، مغز ما یک درک کلی را ترکیب می کند: قهوه. با این حال، محققان پیش‌بینی اینکه حتی یک مولکول واحد برای ما انسان‌ها چه بویی خواهد داشت، بسیار دشوار است. بینی ما میزبان 400 گیرنده مختلف برای تشخیص ترکیب شیمیایی جهان اطرافمان است و ما تازه در حال درک این موضوع هستیم که چه تعداد از این گیرنده ها می توانند با یک مولکول معین تعامل کنند. اما حتی با این دانش، مشخص نیست که چگونه ترکیبی از ورودی‌های بو بر درک ما از عطرها به‌عنوان شیرین، مشک‌آلود، مشمئزکننده و غیره منطبق می‌شود.

گفت: "هیچ مدل واضحی وجود نداشت که به شما پیش بینی کند که بیشتر مولکول ها چه بویی دارند." پابلو مایر، که تجزیه و تحلیل زیست پزشکی و مدل سازی بویایی را در تحقیقات IBM مطالعه می کند و در مطالعه اخیر شرکت نداشته است. مایر تصمیم گرفت مشکل نمادین ساختار به بو را در کانون توجه IBM قرار دهد چالش DREAM 2015، مسابقه جمع سپاری محاسباتی. تیم ها برای ساخت مدل هایی با هم رقابت کردند که بتوانند بوی یک مولکول را از روی ساختار آن پیش بینی کنند.

اما حتی بهترین مدل ها هم نمی توانستند همه چیز را توضیح دهند. در سراسر داده ها موارد مزاحم و نامنظم وجود داشت که در برابر پیش بینی مقاومت می کردند. گاهی اوقات، تغییرات کوچک در ساختار شیمیایی یک مولکول، بوی کاملاً جدیدی می‌داد. مواقع دیگر، تغییرات ساختاری عمده به سختی بو را تغییر می داد.

سازمان متابولیک برای بوها

ویلتشکو و تیمش برای توضیح این موارد نامنظم، الزاماتی را در نظر گرفتند که تکامل ممکن است بر حواس ما اعمال کند. هر حس در طول میلیون ها سال تنظیم شده است تا برجسته ترین طیف محرک ها را شناسایی کند. برای بینایی و شنوایی انسان، این نور از طول موج های 400 تا 700 نانومتر و امواج صوتی بین 20 تا 20,000 هرتز است. اما چه چیزی بر دنیای شیمیایی تشخیص داده شده توسط بینی ما حاکم است؟

Wiltschko که اخیراً Google Research را ترک کرده و تبدیل به یک موجود زنده شده است، می گوید: "تنها چیزی که در طول زمان تکامل ثابت بوده است، حداقل از مدت ها قبل، موتور متابولیک اصلی درون هر موجود زنده است." کارآفرین در محل اقامت در شرکت تابعه آلفابت، GV.

متابولیسم به مجموعه‌ای از واکنش‌های شیمیایی - از جمله چرخه کربس، گلیکولیز، چرخه اوره و بسیاری از فرآیندهای دیگر - اشاره دارد که توسط آنزیم‌های سلولی کاتالیز می‌شوند و یک مولکول را به مولکول دیگری در سلول تبدیل می‌کنند. این مسیرهای واکنشی که به خوبی فرسوده شده اند، نقشه ای از روابط بین مواد شیمیایی طبیعی را که در بینی ما نفوذ می کنند، تعریف می کنند.

فرضیه Wiltschko ساده بود: شاید مواد شیمیایی که بوی مشابهی دارند نه تنها از نظر شیمیایی، بلکه از نظر بیولوژیکی نیز مرتبط هستند.

برای آزمایش این ایده، تیم او به نقشه ای از واکنش های متابولیکی که در طبیعت رخ می دهد نیاز داشت. خوشبختانه، دانشمندان در زمینه متابولومیک قبلاً یک پایگاه داده بزرگ ساخته بودند که این روابط شیمیایی طبیعی و آنزیم هایی را که آنها را رسوب می کنند، ترسیم می کرد. با این داده ها، محققان می توانند دو مولکول بدبو را انتخاب کنند و محاسبه کنند که برای تبدیل یکی به دیگری چند واکنش آنزیمی لازم است.

برای مقایسه، آنها همچنین به یک مدل کامپیوتری نیاز داشتند که بتواند میزان بوی مولکول‌های بدبوی مختلف را برای انسان تعیین کند. برای این منظور، تیم Wiltschko در حال اصلاح یک مدل شبکه عصبی به نام the بود نقشه اصلی بو که بر اساس یافته های مسابقه DREAM 2015 ساخته شده است. این نقشه مانند ابری از 5,000 نقطه است که هر کدام نمایانگر عطر یک مولکول است. نقاط مولکول هایی که بوی مشابهی دارند با هم خوشه می شوند و مولکول هایی که بوی بسیار متفاوتی دارند از هم دور هستند. از آنجایی که ابر بسیار بیشتر از سه بعدی است – ۲۵۶ بعد اطلاعات را در خود جای می دهد – تنها ابزارهای محاسباتی پیشرفته می توانند با ساختار آن دست و پنجه نرم کنند.

محققان به دنبال روابط متناظر در دو منبع داده بودند. آنها از 50 جفت مولکول نمونه برداری کردند و دریافتند که مواد شیمیایی که در نقشه متابولیسم نزدیکتر هستند، حتی اگر ساختارهای بسیار متفاوتی داشته باشند، در نقشه رایحه نزدیکتر هستند.

ویلتشکو از این همبستگی شگفت زده شد. او گفت که پیش‌بینی‌ها هنوز کامل نبودند، اما بهتر از هر مدل قبلی بود که تنها با ساختار شیمیایی به دست آورده بود.

او گفت: «این اصلاً نباید اتفاق می‌افتد. دو مولکول که از نظر بیولوژیکی شبیه به هم هستند، مانند یک کاتالیز آنزیمی که یک قدم دورتر است، می توانند بوی گل رز و تخم مرغ گندیده را بدهند. اما این کار را نکردند. و این برای من دیوانه کننده است. برای من زیباست.»

محققان همچنین دریافتند که مولکول‌هایی که معمولاً با هم در طبیعت وجود دارند - به عنوان مثال، اجزای شیمیایی مختلف یک پرتقال - تمایل بیشتری نسبت به مولکول‌های بدون ارتباط طبیعی دارند.

از نظر شیمیایی با طبیعت هماهنگ شده است

گفت: یافته‌ها "شهودی و ظریف" هستند رابرت داتا، یک نوروبیولوژیست در دانشکده پزشکی هاروارد و مشاور سابق دکترای ویلتشکو که در مطالعه اخیر شرکت نداشت. او گفت: «مانند سیستم بویایی برای تشخیص انواع تصادفات [شیمیایی] ساخته شده است. بنابراین متابولیسم بر تصادفات ممکن حاکم است. این نشان می دهد که ویژگی دیگری به جز ساختار شیمیایی یک مولکول وجود دارد که برای بینی ما مهم است - فرآیند متابولیک که مولکول را در دنیای طبیعی تولید می کند.

"سیستم بویایی برای جهانی که می بیند تنظیم شده است، که این ساختار مولکول ها هستند. و نحوه ساخت این مولکول ها بخشی از آن است. او هوشمندی ایده استفاده از متابولیسم برای اصلاح طبقه بندی رایحه ها را ستود. او گفت: اگرچه نقشه مبتنی بر متابولیسم به طور چشمگیری در مدل‌های ساختاری بهبود نمی‌یابد، از آنجایی که منشا متابولیکی یک مولکول در حال حاضر ارتباط نزدیکی با ساختار آن دارد، «اطلاعات بیشتری به ارمغان می‌آورد».

مایر پیش بینی می کند که مرز بعدی علوم اعصاب بویایی شامل بوی مخلوط ها به جای مولکول های منفرد است. در زندگی واقعی، ما به ندرت فقط یک ماده شیمیایی را در یک زمان استنشاق می کنیم. به صدها نفری که از لیوان قهوه‌تان می‌چرخند فکر کنید. در حال حاضر، دانشمندان داده‌های کافی در مورد مخلوط‌های معطر برای ساختن مدلی مانند مدلی که برای مواد شیمیایی خالص مورد استفاده در مطالعه اخیر استفاده شده است، ندارند. برای درک واقعی حس بویایی خود، باید بررسی کنیم که چگونه صورت های فلکی مواد شیمیایی با هم تعامل می کنند تا بوهای پیچیده ای مانند بوی موجود در بطری های عطر Wiltschko را ایجاد کنند.

این پروژه قبلاً نحوه تفکر ویلتچکو در مورد اشتیاق مادام العمر خود را تغییر داده است. او گفت: وقتی بویی را تجربه می کنید، "شما بخش هایی از موجود زنده دیگری را درک می کنید." من فکر می کنم که واقعا زیباست. از این طریق احساس می‌کنم با زندگی ارتباط بیشتری دارم.»

یادداشت سردبیر: داتا، محققی با همکاری سیمونز در زمینه پلاستیک و پیری مغز و SFARI، از بنیاد سیمونز، که حمایت مالی این مجله مستقل از سرمقاله را نیز می کند، بودجه دریافت می کند.