Alex Wiltschko aloitti hajuvesien keräämisen teini-iässä. Hänen ensimmäinen pullonsa oli Azzaro Pour Homme, ajaton Köln, jonka hän huomasi TJ Maxx -tavaratalon hyllyltä. Hän tunnisti nimen Hajuvedet: opas, kirja, jonka runolliset tuoksukuvaukset saivat hänen pakkomielleensä käyntiin. Lumottuneena hän säästi lisärahansa kokoelmaansa. "Päädyin täysin alas kaninkoloon", hän sanoi.
Viime aikoina Google Researchin hajuneurotieteilijänä Aivotiimi, Wiltschko käytti koneoppimista purkaakseen vanhinta ja vähiten ymmärrettyä aistimme. Joskus hän katsoi miltei ikävästi muita aisteja tutkivia kollegoitaan. "Heillä on nämä kauniit älylliset rakenteet, nämä tiedon katedraalit", hän sanoi, jotka selittävät visuaalista ja auditiivista maailmaa ja häpäisevät sen, mitä tiedämme hajusta.
Wiltschkon ja hänen kollegoidensa viimeaikainen työ auttaa kuitenkin muuttamaan tätä. Sisään paperi He julkaisivat ensimmäisen kerran biorxiv.org-preprint-palvelimella heinäkuussa ja kuvasivat koneoppimisen käyttämistä hajutieteen pitkäaikaiseen haasteeseen vastaamiseen. Heidän löydöksensä paransivat merkittävästi tutkijoiden kykyä laskea molekyylin hajua sen rakenteesta. Lisäksi tapa, jolla he paransivat näitä laskelmia, antoi uusia näkemyksiä hajuaistimme toiminnasta, paljastaen piilotetun järjestyksen siinä, kuinka hajukäsityksemme vastaavat elävän maailman kemiaa.
Kun hengität aamukahvia, 800 erityyppistä molekyyliä kulkee hajureseptoreillesi. Tämän rikkaan kemiallisen muotokuvan monimutkaisuudesta aivomme syntetisoivat yleisnäkemyksen: kahvi. Tutkijoiden on kuitenkin ollut poikkeuksellisen vaikeaa ennustaa, miltä yksittäinenkin molekyyli haisee meille ihmisille. Nenämme isännöi 400 erilaista reseptoria ympärillämme olevan maailman kemiallisen koostumuksen havaitsemiseksi, ja olemme vasta alkamassa ymmärtää, kuinka monet näistä reseptoreista voivat olla vuorovaikutuksessa tietyn molekyylin kanssa. Mutta edes tällä tiedolla, ei ole selvää, kuinka hajujen yhdistelmät vaikuttavat käsityksimme tuoksuista makeina, myskinen, inhottavina ja muina.
"Ei ollut selkeää mallia, joka antaisi ennusteita siitä, miltä useimmat molekyylit haisevat", sanoi Pablo Meyer, joka opiskelee biolääketieteellistä analytiikkaa ja hajuaistin mallintamista IBM Researchissä, eikä ollut mukana tuoreessa tutkimuksessa. Meyer päätti tehdä ikonisesta rakenteesta tuoksuun -ongelmasta IBM:n painopisteen 2015 DREAM-haaste, tietojenkäsittelyn joukkolähdekilpailu. Joukkueet kilpailivat rakentaakseen malleja, jotka pystyivät ennustamaan molekyylin hajun sen rakenteesta.
Mutta parhaatkaan mallit eivät voi selittää kaikkea. Kaikkialla datassa oli ärsyttäviä, epäsäännöllisiä tapauksia, jotka vastustivat ennustamista. Joskus pienet muutokset molekyylin kemialliseen rakenteeseen tuottivat täysin uuden hajun. Muina aikoina suuret rakenteelliset muutokset tuskin muuttivat hajua.
Hajujen aineenvaihduntaorganisaatio
Yrittääkseen selittää näitä epäsäännöllisiä tapauksia Wiltschko ja hänen tiiminsä pohtivat vaatimuksia, joita evoluutio saattoi asettaa aisteillemme. Jokaista aistia on viritetty miljoonien vuosien ajan havaitsemaan merkittävin ärsykealue. Ihmisen näön ja kuulon kannalta se on valoa, jonka aallonpituus on 400–700 nanometriä ja ääniaaltoja 20–20,000 XNUMX hertsiä. Mutta mikä hallitsee nenämme havaitsemaa kemiallista maailmaa?
"Yksi asia, joka on ollut jatkuvaa evoluution aikana, ainakin hyvin kauan sitten, on jokaisen elävän olennon ydinaineenvaihduntamoottori", sanoi Wiltschko, joka jätti äskettäin Google Researchin tullakseen asuinyrittäjä Alphabetin riskipääomatytäryhtiössä GV:ssä.
Aineenvaihdunta viittaa kemiallisten reaktioiden sarjoihin – mukaan lukien Krebsin sykli, glykolyysi, ureasykli ja monet muut prosessit – joita soluentsyymit katalysoivat ja jotka muuttavat molekyylin toiseksi soluissa. Nämä hyvin kuluneet reaktioreitit muodostavat kartan nenään leviävien luonnossa esiintyvien kemikaalien välisistä suhteista.
Wiltschkon hypoteesi oli yksinkertainen: Ehkä samankaltaiset kemikaalit eivät ole vain kemiallisesti sukua, vaan myös biologisesti sukua.
Idean testaamiseksi hänen tiiminsä tarvitsi kartan luonnossa esiintyvistä metabolisista reaktioista. Onneksi metabolomiikan alan tutkijat olivat jo rakentaneet suuren tietokannan, joka hahmotteli nämä luonnolliset kemialliset suhteet ja niitä saostavat entsyymit. Näillä tiedoilla tutkijat voisivat valita kaksi hajumolekyyliä ja laskea, kuinka monta entsymaattista reaktiota vaatisi toisen muuntaminen toiseksi.
Vertailun vuoksi he tarvitsivat myös tietokonemallin, joka pystyisi mittaamaan kuinka erilaiset hajumolekyylit haisevat ihmisille. Tätä tarkoitusta varten Wiltschkon tiimi oli jalostanut hermoverkkomallia nimeltä pääasiallinen hajukartta joka perustui vuoden 2015 DREAM-kilpailun tuloksiin. Tämä kartta on kuin 5,000 pisteen pilvi, joista jokainen edustaa yhden molekyylin tuoksua. Pisteet molekyyleille, jotka tuoksuvat samalla tavalla, ryhmittyvät yhteen ja molekyylit, jotka haisevat hyvin erilaiselta, ovat kaukana toisistaan. Koska pilvi on paljon enemmän kuin 3D – se sisältää 256 ulottuvuutta tietoa – vain kehittyneet laskentatyökalut voivat tarttua sen rakenteeseen.
Tutkijat etsivät vastaavia suhteita kahdesta tietolähteestä. He ottivat näytteitä 50 parista molekyylejä ja havaitsivat, että kemikaalit, jotka olivat lähempänä aineenvaihduntakartalla, olivat myös taipumus olla lähempänä hajukartalla, vaikka niillä olisikin hyvin erilaiset rakenteet.
Wiltschko hämmästyi korrelaatiosta. Ennusteet eivät vieläkään olleet täydellisiä, mutta ne olivat parempia kuin mikään aikaisempi malli oli saavuttanut pelkällä kemiallisella rakenteella, hän sanoi.
"Sen ei tarvinnut tapahtua ollenkaan", hän sanoi. "Kaksi molekyyliä, jotka ovat biologisesti samanlaisia, kuin yhden entsyymikatalyysin askeleen päässä, ne voisivat haistaa ruusuilta ja mädiltä munilta." Mutta he eivät tehneet. "Ja se on minusta hullua. Se on minusta kaunista."
Tutkijat havaitsivat myös, että luonnossa yleensä yhdessä esiintyvät molekyylit – esimerkiksi appelsiinin eri kemialliset komponentit – yleensä haisevat samanlaisemmalta kuin molekyylit, joilla ei ole luonnollista yhteyttä.
Kemiallisesti sovitettu luontoon
Löydökset ovat "intuitiivisia ja tyylikkäitä", sanoi Robert Datta, neurobiologi Harvard Medical Schoolissa ja Wiltschkon entinen tohtorinohjaaja, joka ei ollut mukana äskettäisessä tutkimuksessa. "Se on kuin hajujärjestelmä on rakennettu havaitsemaan erilaisia [kemiallisia] yhteensattumia", hän sanoi. "Joten aineenvaihdunta hallitsee mahdollisia sattumuksia." Tämä osoittaa, että molekyylin kemiallisen rakenteen lisäksi on olemassa toinen ominaisuus, jolla on merkitystä nenällemme – aineenvaihduntaprosessi, joka tuotti molekyylin luonnossa.
"Hajujärjestelmä on viritetty näkemäänsä maailmankaikkeutta varten, mitkä ovat nämä molekyylirakenteet. Ja se, miten nämä molekyylit valmistetaan, on osa sitä, Meyer sanoi. Hän kehui ajatusta käyttää aineenvaihduntaa tuoksujen luokittelun tarkentamiseen. Vaikka aineenvaihduntaan perustuva kartta ei paranna merkittävästi rakennemalleja, koska molekyylin metabolinen alkuperä liittyy jo läheisesti sen rakenteeseen, "se tuo lisätietoa", hän sanoi.
Hajuneurotieteen seuraava raja liittyy seosten hajuihin yksittäisten molekyylien sijaan, Meyer ennustaa. Tosielämässä hengitämme hyvin harvoin vain yhtä kemikaalia kerrallaan; ajattele satoja kahvimukistasi nousevia. Tällä hetkellä tutkijoilla ei ole tarpeeksi tietoa hajusteseoksista rakentaakseen mallia, joka on samanlainen kuin äskettäisessä tutkimuksessa käytetyille puhtaille kemikaaleille. Ymmärtääksemme todella hajuaistimme, meidän on tutkittava, kuinka kemikaalien tähdistöjen vuorovaikutus muodostaa monimutkaisia hajuja, kuten Wiltschkon hajuvesipulloissa.
Tämä projekti on jo muuttanut sitä, miten Wiltschko ajattelee elinikäisestä intohimostaan. Kun koet hajun, "havaitset osia toisesta elävästä olennosta", hän sanoi. "Minusta se on vain todella kaunista. Tunnen olevani enemmän yhteydessä elämään sillä tavalla."
Toimittajan huomautus: Datta, Simons Collaboration on Plasticity and Aging Brain ja SFARI:n tutkija, saa rahoitusta Simons Foundationilta, joka myös sponsoroi tätä toimituksellisesti riippumatonta lehteä.
