Alex Wiltschko a commencé à collectionner les parfums à l'adolescence. Sa première bouteille était Azzaro Pour Homme, une eau de Cologne intemporelle qu'il a repérée sur l'étagère d'un grand magasin TJ Maxx. Il a reconnu le nom de Parfums : Le Guide, un livre dont les descriptions poétiques de l'arôme avaient déclenché son obsession. Enchanté, il a économisé son allocation pour l'ajouter à sa collection. "J'ai fini par aller absolument dans le terrier du lapin", a-t-il déclaré.
Plus récemment, en tant que neuroscientifique olfactif pour Google Research's Équipe du cerveau, Wiltschko a utilisé l'apprentissage automatique pour disséquer notre sens le plus ancien et le moins compris. Parfois, il regardait presque avec envie ses collègues qui étudiaient les autres sens. "Ils ont ces belles structures intellectuelles, ces cathédrales de la connaissance", a-t-il dit, qui expliquent le monde visuel et auditif, faisant honte à ce que nous savons de l'olfaction.
Cependant, les travaux récents de Wiltschko et de ses collègues contribuent à changer cela. Dans un document Publiés pour la première fois sur le serveur de préimpression biorxiv.org en juillet, ils ont décrit l'utilisation de l'apprentissage automatique pour relever un défi de longue date en science olfactive. Leurs découvertes ont considérablement amélioré la capacité des chercheurs à calculer l'odeur d'une molécule à partir de sa structure. De plus, la façon dont ils ont amélioré ces calculs a donné de nouvelles informations sur le fonctionnement de notre odorat, révélant un ordre caché dans la façon dont nos perceptions des odeurs correspondent à la chimie du monde vivant.
Lorsque vous inspirez une bouffée de votre café du matin, 800 types différents de molécules voyagent vers vos récepteurs olfactifs. De la complexité de ce riche portrait chimique, notre cerveau synthétise une perception globale : le café. Les chercheurs ont trouvé exceptionnellement difficile, cependant, de prédire ce que même une seule molécule sentira pour nous, les humains. Notre nez héberge 400 récepteurs différents pour détecter la composition chimique du monde qui nous entoure, et nous commençons seulement à comprendre combien de ces récepteurs peuvent interagir avec une molécule donnée. Mais même avec cette connaissance, il n'est pas clair comment les combinaisons d'entrées d'odeurs correspondent à nos perceptions des parfums comme sucrés, musqués, dégoûtants et plus encore.
"Il n'y avait pas de modèle clair qui vous donnerait des prédictions sur l'odeur de la plupart des molécules", a déclaré Pablo Meyer, qui étudie l'analyse biomédicale et la modélisation de l'olfaction chez IBM Research et n'a pas participé à l'étude récente. Meyer a décidé de faire du problème emblématique de la structure à l'odeur le centre d'intérêt d'IBM Défi RÊVE 2015, un concours de crowdsourcing informatique. Les équipes se sont affrontées pour construire des modèles capables de prédire l'odeur d'une molécule à partir de sa structure.
Mais même les meilleurs modèles ne pouvaient pas tout expliquer. Partout dans les données, il y avait des cas irréguliers et embêtants qui résistaient à la prédiction. Parfois, de petites modifications apportées à la structure chimique d'une molécule produisaient une odeur totalement nouvelle. D'autres fois, des changements structurels majeurs ont à peine changé l'odeur.
Une organisation métabolique pour les odeurs
Pour tenter d'expliquer ces cas irréguliers, Wiltschko et son équipe se sont penchés sur les exigences que l'évolution aurait pu imposer à nos sens. Chaque sens a été réglé pendant des millions d'années pour détecter la gamme de stimuli la plus saillante. Pour la vision et l'ouïe humaines, c'est la lumière des longueurs d'onde de 400 à 700 nanomètres et les ondes sonores entre 20 et 20,000 XNUMX hertz. Mais qu'est-ce qui régit le monde chimique détecté par notre nez ?
"La seule chose qui est restée constante au cours de l'évolution, du moins depuis très longtemps, est le moteur métabolique central à l'intérieur de chaque être vivant", a déclaré Wiltschko, qui a récemment quitté Google Research pour devenir un entrepreneur en résidence dans la filiale de capital-risque d'Alphabet, GV.
Le métabolisme fait référence aux ensembles de réactions chimiques - y compris le cycle de Krebs, la glycolyse, le cycle de l'urée et de nombreux autres processus - qui sont catalysées par des enzymes cellulaires et qui convertissent une molécule en une autre dans les cellules. Ces voies de réaction éprouvées définissent une carte des relations entre les produits chimiques naturels qui flottent dans notre nez.
L'hypothèse de Wiltschko était simple : peut-être que les produits chimiques qui ont une odeur similaire ne sont pas seulement chimiquement liés, mais aussi biologiquement liés.
Pour tester l'idée, son équipe avait besoin d'une carte des réactions métaboliques qui se produisent dans la nature. Heureusement, les scientifiques dans le domaine de la métabolomique avaient déjà construit une grande base de données décrivant ces relations chimiques naturelles et les enzymes qui les précipitent. Avec ces données, les chercheurs ont pu choisir deux molécules odorantes et calculer le nombre de réactions enzymatiques qu'il faudrait pour convertir l'une en l'autre.
À titre de comparaison, ils avaient également besoin d'un modèle informatique capable de quantifier l'odeur de diverses molécules odorantes pour les humains. À cette fin, l'équipe de Wiltschko avait affiné un modèle de réseau neuronal appelé le carte des odeurs principales qui s'appuyait sur les résultats du concours DREAM 2015. Cette carte est comme un nuage de 5,000 3 points, chacun représentant l'odeur d'une molécule. Les points pour les molécules qui ont une odeur similaire se regroupent et ceux qui ont une odeur très différente sont très éloignés. Parce que le cloud est bien plus que de la 256D - il contient XNUMX dimensions d'informations - seuls des outils informatiques avancés peuvent s'attaquer à sa structure.
Les chercheurs ont cherché des relations correspondantes dans les deux sources de données. Ils ont échantillonné 50 paires de molécules et ont découvert que les produits chimiques qui étaient plus proches sur la carte du métabolisme avaient également tendance à être plus proches sur la carte des odeurs, même s'ils avaient des structures très différentes.
Wiltschko a été étonné par la corrélation. Les prédictions n'étaient toujours pas parfaites, mais elles étaient meilleures que n'importe quel modèle précédent avec la seule structure chimique, a-t-il déclaré.
"Cela n'aurait pas dû arriver du tout", a-t-il déclaré. "Deux molécules biologiquement similaires, comme à une étape de la catalyse enzymatique, pourraient sentir la rose et les œufs pourris." Mais ils ne l'ont pas fait. "Et c'est fou pour moi. C'est beau pour moi.
Les chercheurs ont également découvert que les molécules qui se trouvent généralement ensemble dans la nature - par exemple, les différents composants chimiques d'une orange - ont tendance à avoir une odeur plus similaire que les molécules sans association naturelle.
Chimiquement en accord avec la nature
Les résultats sont "intuitifs et élégants", a déclaré Robert Datta, neurobiologiste à la Harvard Medical School et ancien conseiller doctoral de Wiltschko, qui n'a pas participé à l'étude récente. "C'est comme si le système olfactif était conçu pour détecter une variété de coïncidences [chimiques]", a-t-il déclaré. "Ainsi, le métabolisme régit les coïncidences possibles." Cela indique qu'il existe une autre caractéristique en plus de la structure chimique d'une molécule qui compte pour notre nez - le processus métabolique qui a produit la molécule dans le monde naturel.
"Le système olfactif est réglé pour l'univers qu'il voit, qui sont ces structures de molécules. Et la façon dont ces molécules sont fabriquées en fait partie », a déclaré Meyer. Il a loué l'ingéniosité de l'idée d'utiliser le métabolisme pour affiner la catégorisation des parfums. Bien que la carte basée sur le métabolisme n'améliore pas considérablement les modèles structurels, puisque l'origine métabolique d'une molécule est déjà étroitement liée à sa structure, "elle apporte des informations supplémentaires", a-t-il déclaré.
La prochaine frontière des neurosciences olfactives impliquera les odeurs de mélanges au lieu de molécules individuelles, prédit Meyer. Dans la vraie vie, nous inhalons très rarement un seul produit chimique à la fois ; pensez aux centaines qui s'échappent de votre tasse de café. À l'heure actuelle, les scientifiques ne disposent pas de suffisamment de données sur les mélanges odorants pour construire un modèle comme celui des produits chimiques purs utilisé dans l'étude récente. Pour vraiment comprendre notre sens de l'odorat, nous devrons examiner comment les constellations de produits chimiques interagissent pour former des odeurs complexes comme celles des flacons de parfum de Wiltschko.
Ce projet a déjà changé la façon dont Wiltschko pense à sa passion de toujours. Lorsque vous ressentez une odeur, "vous percevez des parties d'un autre être vivant", a-t-il déclaré. "Je pense juste que c'est vraiment magnifique. Je me sens plus connecté à la vie de cette façon.
Note de l'éditeur : Datta, un chercheur de la Simons Collaboration on Plasticity and the Aging Brain et SFARI, reçoit un financement de la Simons Foundation, qui parraine également ce magazine éditorial indépendant.
