Alex Wiltschko började samla på parfymer som tonåring. Hans första flaska var Azzaro Pour Homme, en tidlös cologne som han såg på hyllan på ett TJ Maxx-varuhus. Han kände igen namnet från Parfymer: Guiden, en bok vars poetiska beskrivningar av arom hade kickstartat hans besatthet. Förtrollad sparade han sina bidrag för att lägga till sin samling. "Det slutade med att jag gick helt ner i kaninhålet," sa han.
På senare tid, som luktneuroforskare för Google Research Brain Team, använde Wiltschko maskininlärning för att dissekera vårt äldsta och minst förstådda sinne. Ibland tittade han nästan längtansfullt på sina kollegor som studerade de andra sinnena. "De har dessa vackra intellektuella strukturer, dessa kunskapskatedraler," sa han, som förklarar den visuella och auditiva världen, vilket skämmer ut det vi vet om lukt.
Nyligen utförda arbeten av Wiltschko och hans kollegor hjälper dock till att ändra på det. I ett papper Första gången de publicerades på biorxiv.orgs preprint-server i juli, beskrev de att de använde maskininlärning för att ta itu med en långvarig utmaning inom luktvetenskap. Deras resultat förbättrade avsevärt forskarnas förmåga att beräkna lukten av en molekyl från dess struktur. Dessutom gav sättet de förbättrade dessa beräkningar nya insikter om hur vårt luktsinne fungerar, och avslöjade en dold ordning i hur våra uppfattningar om lukter motsvarar den levande världens kemi.
När du andas in en doft av ditt morgonkaffe, reser 800 olika typer av molekyler till dina luktreceptorer. Från komplexiteten i detta rika kemiska porträtt, syntetiserar våra hjärnor en övergripande uppfattning: kaffe. Forskare har dock funnit det exceptionellt svårt att förutsäga hur ens en enda molekyl kommer att lukta för oss människor. Våra näsor är värd för 400 olika receptorer för att detektera den kemiska sammansättningen av världen omkring oss, och vi börjar bara förstå hur många av dessa receptorer som kan interagera med en given molekyl. Men även med den kunskapen är det inte klart hur kombinationer av luktinsatser kartlägger vår uppfattning om dofter som söta, myskiga, äckliga och mer.
"Det fanns ingen tydlig modell som skulle ge dig förutsägelser för hur de flesta molekyler luktar," sa Pablo Meyer, som studerar biomedicinsk analys och modellering av lukt vid IBM Research och var inte involverad i den senaste studien. Meyer bestämde sig för att göra det ikoniska struktur-till-doftproblemet till fokus för IBM 2015 DREAM-utmaning, en datorcrowdsourcing-tävling. Lag tävlade om att bygga modeller som kunde förutsäga en molekyls lukt utifrån dess struktur.
Men inte ens de bästa modellerna kunde förklara allt. Genomgående i data var irriterande, oregelbundna fall som motstod förutsägelser. Ibland gav små justeringar av en molekyls kemiska struktur en helt ny lukt. Andra gånger förändrade stora strukturella förändringar knappt lukten.
En metabolisk organisation för lukter
För att försöka förklara dessa oregelbundna fall övervägde Wiltschko och hans team de krav som evolutionen kan ha ställt på våra sinnen. Varje sinne har ställts in under miljontals år för att upptäcka det mest framträdande intervallet av stimuli. För mänsklig syn och hörsel är det ljus med våglängder från 400-700 nanometer och ljudvågor mellan 20 och 20,000 XNUMX hertz. Men vad styr den kemiska världen som upptäcks av våra näsor?
"Det enda som har varit konstant under evolutionär tid, åtminstone sedan mycket länge sedan, är den centrala metaboliska motorn i varje levande varelse", säger Wiltschko, som nyligen lämnade Google Research för att bli en företagare i bostad på Alphabets dotterbolag för riskkapital, GV.
Metabolism hänvisar till uppsättningarna av kemiska reaktioner - inklusive Krebs-cykeln, glykolys, ureacykeln och många andra processer - som katalyseras av cellulära enzymer och som omvandlar en molekyl till en annan i celler. Dessa väl slitna reaktionsvägar definierar en karta över relationer mellan de naturligt förekommande kemikalierna som tränger in i våra näsor.
Wiltschkos hypotes var enkel: Kemikalier som luktar liknande är kanske inte bara kemiskt relaterade, utan också biologiskt relaterade.
För att testa idén behövde hans team en karta över de metaboliska reaktioner som uppstår i naturen. Lyckligtvis hade forskare inom ämnesomsättningsområdet redan konstruerat en stor databas som beskrev dessa naturliga kemiska samband och enzymerna som fäller ut dem. Med dessa data kunde forskarna välja två luktande molekyler och beräkna hur många enzymatiska reaktioner det skulle ta för att omvandla den ena till den andra.
Som jämförelse behövde de också en datormodell som kunde kvantifiera hur olika luktande molekyler luktar för människor. För detta ändamål hade Wiltschkos team förfinat en neural nätverksmodell kallad huvudsaklig luktkarta som byggde på resultaten av 2015 års DREAM-tävling. Den här kartan är som ett moln med 5,000 3 punkter, som var och en representerar en molekyls doft. Punkterna för molekyler som luktar liknande klungar ihop sig, och de som luktar väldigt olika är långt ifrån varandra. Eftersom molnet är mycket mer än 256D – det har XNUMX dimensioner av information – kan bara avancerade datorverktyg brottas med dess struktur.
Forskarna letade efter motsvarande samband inom de två datakällorna. De tog prov på 50 par molekyler och fann att kemikalier som var närmare på ämnesomsättningskartan också tenderade att vara närmare på doftkartan, även om de hade väldigt olika strukturer.
Wiltschko blev förvånad över sambandet. Förutsägelserna var fortfarande inte perfekta, men de var bättre än någon tidigare modell hade uppnått med enbart kemisk struktur, sa han.
"Det behövde inte hända alls", sa han. "Två molekyler som är biologiskt lika, som en enzymkatalys, går bort, de kunde lukta som rosor och ruttna ägg." Men det gjorde de inte. "Och det är galet för mig. Det är vackert för mig."
Forskarna fann också att molekyler som vanligtvis förekommer tillsammans i naturen - till exempel de olika kemiska komponenterna i en apelsin - tenderar att lukta mer lika än molekyler utan en naturlig association.
Kemiskt anpassad till naturen
Fynden är "intuitiva och eleganta", sa Robert Datta, en neurobiolog vid Harvard Medical School och Wiltschkos tidigare doktorandrådgivare, som inte var inblandad i den senaste studien. "Det är som att luktsystemet är byggt för att upptäcka en mängd olika [kemiska] sammanträffanden", sa han. "Så metabolism styr de tillfälligheter som är möjliga." Detta indikerar att det finns en annan egenskap förutom en molekyls kemiska struktur som har betydelse för våra näsor - den metaboliska process som producerade molekylen i den naturliga världen.
"Luftsystemet är inställt för universum det ser, vilket är dessa strukturer av molekyler. Och hur dessa molekyler tillverkas är en del av det, säger Meyer. Han berömde smartheten i idén att använda ämnesomsättning för att förfina kategoriseringen av dofter. Även om den metabolismbaserade kartan inte förbättras drastiskt på strukturella modeller, eftersom en molekyls metaboliska ursprung redan är nära relaterat till dess struktur, "medför den lite extra information", sa han.
Nästa gräns för luktneurovetenskap kommer att involvera lukter av blandningar istället för enskilda molekyler, förutspår Meyer. I verkligheten andas vi väldigt sällan bara en kemikalie åt gången; tänk på de hundratals som svänger från din kaffemugg. Just nu har forskarna inte tillräckligt med data om luktblandningar för att bygga en modell som den för rena kemikalier som användes i den senaste studien. För att verkligen förstå vårt luktsinne måste vi undersöka hur konstellationer av kemikalier interagerar för att bilda komplexa lukter som de i Wiltschkos parfymflaskor.
Detta projekt har redan förändrat hur Wiltschko tänker om sin livslånga passion. När du upplever en lukt, "uppfattar du delar av en annan levande varelse", sa han. "Jag tycker bara att det är riktigt vackert. Jag känner mig mer kopplad till livet på det sättet."
Redaktörens anteckning: Datta, en utredare med Simons Collaboration on Plasticity and the Aging Brain och SFARI, får finansiering från Simons Foundation, som också sponsrar denna redaktionellt oberoende tidning.
