Alex Wiltschko begynte å samle parfymer som tenåring. Hans første flaske var Azzaro Pour Homme, en tidløs cologne han oppdaget på hyllen på en T.J. Maxx varehus. Han kjente igjen navnet fra Parfymer: Guiden, en bok hvis poetiske beskrivelser av aroma hadde kickstartet hans besettelse. Fortryllt sparte han opp kvoten for å legge til samlingen sin. "Jeg endte opp med å gå helt ned i kaninhullet," sa han.
Mer nylig, som en olfaktorisk nevroforsker for Google Research Hjerneteam, brukte Wiltschko maskinlæring for å dissekere vår eldste og minst forståtte sans. Noen ganger så han nesten lengselsfullt på kollegene sine som studerte de andre sansene. "De har disse vakre intellektuelle strukturene, disse kunnskapskatedralene," sa han, som forklarer den visuelle og auditive verdenen, og skammer det vi vet om lukte.
Nylig arbeid av Wiltschko og hans kolleger er imidlertid med på å endre det. I et papir Først publisert på biorxiv.org preprint-serveren i juli, beskrev de å bruke maskinlæring for å takle en langvarig utfordring innen luktvitenskap. Funnene deres forbedret forskernes evne til å beregne lukten av et molekyl fra strukturen betydelig. Dessuten ga måten de forbedret disse beregningene på, ny innsikt i hvordan luktesansen vår fungerer, og avslørte en skjult rekkefølge i hvordan oppfatningen vår av lukt samsvarer med kjemien i den levende verden.
Når du inhalerer en eim av morgenkaffen, reiser 800 forskjellige typer molekyler til luktreseptorene dine. Fra kompleksiteten til dette rike kjemiske portrettet, syntetiserer hjernen vår en helhetlig oppfatning: kaffe. Forskere har imidlertid funnet det usedvanlig vanskelig å forutsi hvordan selv et enkelt molekyl vil lukte for oss mennesker. Nesen vår er vert for 400 forskjellige reseptorer for å oppdage den kjemiske sammensetningen av verden rundt oss, og vi begynner bare å fatte hvor mange av disse reseptorene som kan samhandle med et gitt molekyl. Men selv med den kunnskapen er det ikke klart hvordan kombinasjoner av lukttilførsel kartlegger vår oppfatning av dufter som søte, musky, ekle og mer.
"Det var ingen klar modell som ville gi deg spådommer for hvordan de fleste molekyler lukter," sa Pablo Meyer, som studerer biomedisinsk analyse og modellering av lukt ved IBM Research og var ikke involvert i den nylige studien. Meyer bestemte seg for å gjøre det ikoniske struktur-til-duft-problemet til fokus for IBM 2015 DREAM challenge, en crowddsourcing-konkurranse for databehandling. Lag konkurrerte om å bygge modeller som kunne forutsi et molekyls lukt fra strukturen.
Men selv de beste modellene kunne ikke forklare alt. Peppert gjennom dataene var irriterende, uregelmessige tilfeller som motsto spådommer. Noen ganger ga små justeringer av et molekyls kjemiske struktur en helt ny lukt. Andre ganger endret store strukturelle endringer knapt lukten.
En metabolsk organisasjon for lukter
For å prøve å forklare disse uregelmessige tilfellene, vurderte Wiltschko og teamet hans kravene som evolusjon kan ha pålagt våre sanser. Hver sans har blitt stilt inn over millioner av år for å oppdage det mest fremtredende spekteret av stimuli. For menneskelig syn og hørsel er det lys med bølgelengder fra 400-700 nanometer og lydbølger mellom 20 og 20,000 XNUMX hertz. Men hva styrer den kjemiske verden oppdaget av nesen vår?
"Den ene tingen som har vært konstant over evolusjonær tid, i det minste fra svært lang tid tilbake, er kjernen i alle levende ting," sa Wiltschko, som nylig forlot Google Research for å bli en entreprenør-in-residence hos Alphabets venturekapitaldatterselskap, GV.
Metabolisme refererer til sett med kjemiske reaksjoner - inkludert Krebs-syklusen, glykolyse, urea-syklusen og mange andre prosesser - som katalyseres av cellulære enzymer og som konverterer ett molekyl til et annet i cellene. Disse godt slitte reaksjonsveiene definerer et kart over forhold mellom de naturlig forekommende kjemikaliene som strømmer inn i nesen vår.
Wiltschkos hypotese var enkel: Kanskje kjemikalier som lukter lignende er ikke bare kjemisk relatert, men også biologisk relatert.
For å teste ideen trengte teamet hans et kart over de metabolske reaksjonene som oppstår i naturen. Heldigvis hadde forskere innen metabolomikk allerede konstruert en stor database som skisserte disse naturlige kjemiske sammenhengene og enzymene som utfeller dem. Med disse dataene kunne forskerne plukke ut to luktende molekyler og beregne hvor mange enzymatiske reaksjoner det ville ta for å konvertere den ene til den andre.
Til sammenligning trengte de også en datamodell som kunne kvantifisere hvordan ulike luktende molekyler lukter for mennesker. For det formål hadde Wiltschkos team foredlet en nevrale nettverksmodell kalt viktigste luktkart som bygde på funnene fra 2015 DREAM-konkurransen. Dette kartet er som en sky med 5,000 poeng, som hver representerer ett molekyls duft. Punktene for molekyler som lukter likt, klynger seg sammen, og de som lukter veldig forskjellig, er langt fra hverandre. Fordi skyen er mye mer enn 3D – den har 256 dimensjoner med informasjon – er det bare avanserte dataverktøy som kan takle strukturen.
Forskerne så etter tilsvarende sammenhenger innenfor de to datakildene. De tok prøver av 50 par molekyler og fant at kjemikalier som var nærmere på stoffskiftekartet også hadde en tendens til å være nærmere på duftkartet, selv om de hadde svært forskjellige strukturer.
Wiltschko ble overrasket over korrelasjonen. Forutsigelsene var fortsatt ikke perfekte, men de var bedre enn noen tidligere modell hadde oppnådd med kjemisk struktur alene, sa han.
"Det trengte ikke å skje i det hele tatt," sa han. "To molekyler som er biologisk like, som en enzymkatalyse går unna, de kunne lukte som roser og råtne egg." Men det gjorde de ikke. "Og det er galskap for meg. Det er vakkert for meg."
Forskerne fant også at molekyler som vanligvis forekommer sammen i naturen - for eksempel de forskjellige kjemiske komponentene i en appelsin - har en tendens til å lukte mer likt enn molekyler uten en naturlig assosiasjon.
Kjemisk tilpasset naturen
Funnene er "intuitive og elegante," sa Robert Datta, en nevrobiolog ved Harvard Medical School og Wiltschkos tidligere doktorgradsrådgiver, som ikke var involvert i den nylige studien. "Det er som om luktesystemet er bygget for å oppdage en rekke [kjemiske] tilfeldigheter," sa han. "Så metabolisme styrer tilfeldighetene som er mulig." Dette indikerer at det er en annen funksjon ved siden av et molekyls kjemiske struktur som betyr noe for nesen vår - den metabolske prosessen som produserte molekylet i den naturlige verden.
"Luftsystemet er innstilt for universet det ser, som er disse strukturene av molekyler. Og hvordan disse molekylene er laget er en del av det, sa Meyer. Han berømmet smartheten i ideen om å bruke metabolisme for å avgrense kategoriseringen av dufter. Selv om det metabolismebaserte kartet ikke forbedres drastisk på strukturelle modeller, siden et molekyls metabolske opprinnelse allerede er nært knyttet til strukturen, "bringer det litt ekstra informasjon," sa han.
Den neste grensen for olfaktorisk nevrovitenskap vil involvere lukten av blandinger i stedet for individuelle molekyler, spår Meyer. I det virkelige liv inhalerer vi svært sjelden bare ett kjemikalie om gangen; tenk på hundrevis av kaffekopper. Akkurat nå har ikke forskere nok data om luktblandinger til å bygge en modell som den for rene kjemikalier som ble brukt i den nylige studien. For virkelig å forstå luktesansen vår, må vi undersøke hvordan konstellasjoner av kjemikalier samhandler for å danne komplekse lukter som de i Wiltschkos parfymeflasker.
Dette prosjektet har allerede endret hvordan Wiltschko tenker om sin livslange lidenskap. Når du opplever en lukt, "oppfatter du deler av en annen levende ting," sa han. "Jeg synes bare det er veldig vakkert. Jeg føler meg mer knyttet til livet på den måten."
Redaktørens notat: Datta, en etterforsker med Simons Collaboration on Plasticity and the Aging Brain og SFARI, mottar midler fra Simons Foundation, som også sponser dette redaksjonelt uavhengige magasinet.
