Алекс Вильчко начал коллекционировать духи еще подростком. Его первым флаконом был Azzaro Pour Homme, неподвластный времени одеколон, который он заметил на полке в универмаге TJ Maxx. Он узнал имя от Духи: Путеводитель, книга, чьи поэтические описания ароматов положили начало его одержимости. Очарованный, он копил деньги, чтобы пополнить свою коллекцию. «В итоге я попал в кроличью нору, — сказал он.
Совсем недавно, будучи обонятельным нейробиологом в Google Research Мозговая команда, Вильчко использовал машинное обучение, чтобы проанализировать наши самые древние и наименее понятные чувства. Иногда он смотрел почти с тоской на своих коллег, изучающих другие чувства. «У них есть эти прекрасные интеллектуальные структуры, эти соборы знаний», — сказал он, которые объясняют визуальный и слуховой мир, стыдя то, что мы знаем об обонянии.
Однако недавняя работа Вильчко и его коллег помогает это изменить. В бумага впервые опубликованные на сервере препринтов biorxiv.org в июле, они описали использование машинного обучения для решения давней проблемы в обонятельной науке. Их результаты значительно улучшили способность исследователей вычислять запах молекулы по ее структуре. Более того, то, как они улучшили эти расчеты, позволило по-новому взглянуть на то, как работает наше обоняние, выявив скрытый порядок в том, как наше восприятие запахов соответствует химическому составу живого мира.
Когда вы вдыхаете запах утреннего кофе, 800 различных типов молекул перемещаются к вашим обонятельным рецепторам. Из сложности этого богатого химического портрета наш мозг синтезирует общее восприятие: кофе. Однако исследователям оказалось чрезвычайно сложно предсказать, как даже одна молекула будет пахнуть для нас, людей. В нашем носу находится 400 различных рецепторов для определения химического состава окружающего нас мира, и мы только начинаем понимать, сколько из этих рецепторов могут взаимодействовать с данной молекулой. Но даже с этим знанием неясно, как сочетания запахов сопоставляются с нашим восприятием ароматов как сладких, мускусных, отвратительных и т. д.
«Не было четкой модели, которая дала бы вам предсказание того, как пахнет большинство молекул», — сказал он. Пабло Мейер, который изучает биомедицинскую аналитику и моделирование обоняния в IBM Research и не участвовал в недавнем исследовании. Мейер решил сделать известную проблему соединения структуры и запаха в центре внимания IBM. Вызов МЕЧТЫ 2015 г., соревнование по вычислительному краудсорсингу. Команды соревновались в построении моделей, которые могли бы предсказать запах молекулы по ее структуре.
Но даже самые лучшие модели не могли объяснить всего. В данных были разбросаны надоедливые, нерегулярные случаи, которые нельзя было предсказать. Иногда небольшие изменения в химической структуре молекулы давали совершенно новый запах. В других случаях серьезные структурные изменения практически не изменили запах.
Метаболическая организация запахов
Чтобы попытаться объяснить эти необычные случаи, Вильчко и его команда рассмотрели требования, которые эволюция могла наложить на наши органы чувств. Каждое чувство на протяжении миллионов лет настраивалось таким образом, чтобы обнаруживать наиболее заметный диапазон раздражителей. Для человеческого зрения и слуха это свет с длиной волны от 400 до 700 нанометров и звуковые волны от 20 до 20,000 XNUMX герц. Но что управляет химическим миром, воспринимаемым нашим носом?
«Единственная вещь, которая остается неизменной на протяжении всей эволюции, по крайней мере, с очень давних времен, — это основной метаболический двигатель внутри каждого живого существа», — сказал Вильчко, который недавно ушел из Google Research, чтобы стать предприниматель по месту жительства в дочерней венчурной компании Alphabet, GV.
Метаболизм относится к набору химических реакций, включая цикл Кребса, гликолиз, цикл мочевины и многие другие процессы, которые катализируются клеточными ферментами и превращают одну молекулу в другую в клетках. Эти хорошо зарекомендовавшие себя пути реакций определяют карту взаимосвязей между встречающимися в природе химическими веществами, которые доносятся до нас через нос.
Гипотеза Вильчко была проста: возможно, химические вещества с похожим запахом связаны не только химически, но и биологически.
Чтобы проверить идею, его команде понадобилась карта метаболических реакций, происходящих в природе. К счастью, ученые в области метаболомики уже создали большую базу данных, описывающую эти естественные химические отношения и ферменты, которые их вызывают. С помощью этих данных исследователи могли выбрать две пахучие молекулы и рассчитать, сколько ферментативных реакций потребуется, чтобы преобразовать одну в другую.
Для сравнения им также понадобилась компьютерная модель, которая могла бы количественно определить, как различные пахучие молекулы пахнут для человека. С этой целью команда Вильчко усовершенствовала модель нейронной сети, названную карта основных запахов который основан на результатах конкурса DREAM 2015 года. Эта карта похожа на облако из 5,000 точек, каждая из которых представляет запах одной молекулы. Точки для молекул с похожим запахом сгруппированы вместе, а для молекул с совершенно разными запахами — далеко друг от друга. Поскольку облако — это гораздо больше, чем трехмерное пространство — оно содержит 3 измерений информации, — только передовые вычислительные инструменты могут справиться с его структурой.
Исследователи искали соответствующие отношения в двух источниках данных. Они отобрали 50 пар молекул и обнаружили, что химические вещества, расположенные ближе на карте метаболизма, имеют тенденцию быть ближе и на карте запахов, даже если они имеют очень разные структуры.
Вильчко был поражен этой корреляцией. По его словам, предсказания все еще не были идеальными, но они были лучше, чем любая предыдущая модель, полученная только с помощью химической структуры.
«Этого вообще не должно было случиться, — сказал он. «Две молекулы, которые биологически похожи, как один шаг ферментативного катализа, они могут пахнуть розами и тухлыми яйцами». Но они этого не сделали. «И это безумие для меня. Это красиво для меня».
Исследователи также обнаружили, что молекулы, которые обычно встречаются в природе вместе — например, различные химические компоненты апельсина — имеют тенденцию пахнуть более похоже, чем молекулы без естественной ассоциации.
Химически настроенный на природу
Выводы «интуитивны и элегантны», сказал Роберт Датта, нейробиолог из Гарвардской медицинской школы и бывший научный руководитель Вильчко, который не участвовал в недавнем исследовании. «Это похоже на то, что обонятельная система устроена так, чтобы обнаруживать различные [химические] совпадения», — сказал он. «Таким образом, метаболизм управляет возможными совпадениями». Это указывает на то, что помимо химической структуры молекулы, которая имеет значение для нашего носа, есть еще одна особенность — метаболический процесс, который произвел молекулу в естественном мире.
«Обонятельная система настроена на вселенную, которую она видит, которая представляет собой эти структуры молекул. И то, как эти молекулы сделаны, является частью этого», — сказал Мейер. Он высоко оценил остроумие идеи использования метаболизма для уточнения категоризации запахов. Хотя карта, основанная на метаболизме, не сильно улучшает структурные модели, поскольку метаболическое происхождение молекулы уже тесно связано с ее структурой, «она дает некоторую дополнительную информацию», — сказал он.
Мейер предсказывает, что следующий рубеж обонятельной нейробиологии будет связан с запахами смесей, а не с отдельными молекулами. В реальной жизни мы очень редко вдыхаем только одно химическое вещество за раз; подумайте о сотнях, доносящихся из вашей кофейной кружки. В настоящее время у ученых недостаточно данных о смесях пахучих веществ, чтобы построить модель, подобную модели для чистых химических веществ, использованной в недавнем исследовании. Чтобы по-настоящему понять наше обоняние, нам нужно изучить, как совокупность химических веществ взаимодействует, образуя сложные запахи, подобные запахам во флаконах духов Вильчко.
Этот проект уже изменил представление Вильчко о своей давней страсти. Когда вы ощущаете запах, «вы воспринимаете части другого живого существа», — сказал он. «Я просто думаю, что это действительно красиво. Так я чувствую себя более связанным с жизнью».
Примечание редактора: Датта, исследователь из Коллаборации Саймонса по пластичности и старению мозга и SFARI, получает финансирование от Фонда Саймонса, который также спонсирует этот редакционно независимый журнал.
