แมชชีนเลิร์นนิงเน้นย้ำคำสั่งซื้อที่ซ่อนอยู่ในกลิ่น

Alex Wiltschko เริ่มสะสมน้ำหอมตั้งแต่ยังเป็นวัยรุ่น ขวดแรกของเขาคือ Azzaro Pour Homme ซึ่งเป็นโคโลญจน์เหนือกาลเวลาที่เขาเห็นบนหิ้งที่ห้างสรรพสินค้า TJ Maxx เขาจำชื่อได้จาก น้ำหอม: คู่มือหนังสือที่มีคำอธิบายเชิงกวีของกลิ่นหอมได้กระตุ้นความหลงใหลของเขา หลงเสน่ห์เขาเก็บเงินเผื่อไว้เพื่อเพิ่มในคอลเลกชันของเขา “ฉันลงเอยด้วยการลงไปในโพรงกระต่ายอย่างแน่นอน” เขากล่าว

เมื่อไม่นานมานี้ ในฐานะนักประสาทวิทยาด้านการดมกลิ่นของ Google Research's ทีมสมอง, Wiltschko ใช้แมชชีนเลิร์นนิงเพื่อวิเคราะห์ความรู้สึกที่เก่าแก่ที่สุดและเข้าใจน้อยที่สุดของเรา บางครั้งเขามองเพื่อนร่วมงานที่กำลังศึกษาประสาทสัมผัสอื่นๆ "พวกเขามีโครงสร้างทางปัญญาที่สวยงามเหล่านี้ วิหารแห่งความรู้เหล่านี้" เขากล่าว ที่อธิบายโลกแห่งการมองเห็นและการได้ยิน ทำให้เราอับอายสิ่งที่เรารู้เกี่ยวกับการดมกลิ่น

งานล่าสุดของ Wiltschko และเพื่อนร่วมงานของเขากำลังช่วยเปลี่ยนแปลงสิ่งนั้น ใน กระดาษ โพสต์ครั้งแรกบนเซิร์ฟเวอร์ preprint ของ biorxiv.org ในเดือนกรกฎาคม พวกเขาอธิบายโดยใช้แมชชีนเลิร์นนิงเพื่อจัดการกับความท้าทายที่มีมายาวนานในด้านวิทยาศาสตร์การดมกลิ่น การค้นพบนี้ช่วยปรับปรุงความสามารถของนักวิจัยในการคำนวณกลิ่นของโมเลกุลจากโครงสร้างของมันได้อย่างมีนัยสำคัญ ยิ่งไปกว่านั้น วิธีที่พวกเขาปรับปรุงการคำนวณเหล่านั้นได้ให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับการทำงานของประสาทสัมผัสในการดมกลิ่น โดยเผยให้เห็นลำดับที่ซ่อนเร้นว่าการรับรู้ของเราเกี่ยวกับกลิ่นนั้นสอดคล้องกับเคมีของโลกที่มีชีวิตอย่างไร

เมื่อคุณสูดกลิ่นหอมของกาแฟยามเช้า โมเลกุลต่างๆ 800 ชนิดจะเดินทางไปยังตัวรับกลิ่นของคุณ จากความซับซ้อนของภาพเหมือนสารเคมีที่เข้มข้นนี้ สมองของเราสังเคราะห์การรับรู้โดยรวม นั่นคือ กาแฟ นักวิจัยพบว่ามันยากเป็นพิเศษที่จะทำนายว่าแม้แต่โมเลกุลเดี่ยวจะมีกลิ่นเหมือนมนุษย์อย่างเราอย่างไร จมูกของเรามีตัวรับ 400 ตัวที่แตกต่างกันเพื่อตรวจจับองค์ประกอบทางเคมีของโลกรอบตัวเรา และเราเพิ่งจะเริ่มเข้าใจถึงจำนวนตัวรับที่สามารถโต้ตอบกับโมเลกุลที่กำหนดได้ แต่ถึงแม้จะมีความรู้นั้น ก็ยังไม่ชัดเจนนักว่าการผสมผสานของกลิ่นที่นำเข้ามาผสมผสานกับการรับรู้ของเราเกี่ยวกับกลิ่นหอมที่มีรสหวาน มีกลิ่นฉุน น่าขยะแขยง และอื่นๆ ได้อย่างไร

"ไม่มีแบบจำลองที่ชัดเจนที่จะทำนายว่าโมเลกุลส่วนใหญ่มีกลิ่นอย่างไร" . กล่าว ปาโบล เมเยอร์ผู้ศึกษาการวิเคราะห์ทางชีวการแพทย์และการสร้างแบบจำลองการดมกลิ่นที่ IBM Research และไม่เกี่ยวข้องกับการศึกษาเมื่อเร็วๆ นี้ เมเยอร์ตัดสินใจที่จะทำให้ปัญหาโครงสร้างต่อกลิ่นที่เป็นสัญลักษณ์เป็นจุดสนใจของ IBM 2015 DREAM Challengeการแข่งขันคอมพิวเตอร์ crowdsourcing ทีมแข่งขันกันเพื่อสร้างแบบจำลองที่สามารถทำนายกลิ่นของโมเลกุลได้จากโครงสร้างของมัน

แต่แม้แต่โมเดลที่ดีที่สุดก็ไม่สามารถอธิบายทุกอย่างได้ ข้อมูลที่รวบรวมไว้ตลอดนั้นน่ารำคาญ กรณีผิดปกติที่ขัดต่อการคาดการณ์ บางครั้ง การปรับเปลี่ยนโครงสร้างทางเคมีของโมเลกุลเพียงเล็กน้อยก็ทำให้เกิดกลิ่นใหม่โดยสิ้นเชิง ในบางครั้ง การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่สำคัญแทบไม่ทำให้กลิ่นเปลี่ยนไป

องค์กรเมตาบอลิซึมสำหรับกลิ่น

เพื่อพยายามอธิบายกรณีที่ผิดปกติเหล่านี้ Wiltschko และทีมของเขาได้พิจารณาข้อกำหนดที่วิวัฒนาการอาจเรียกเก็บจากความรู้สึกของเรา ประสาทสัมผัสแต่ละส่วนได้รับการปรับแต่งมาเป็นเวลาหลายล้านปีเพื่อตรวจจับช่วงของสิ่งเร้าที่สำคัญที่สุด สำหรับการมองเห็นและการได้ยินของมนุษย์ นั่นคือแสงที่มีความยาวคลื่น 400-700 นาโนเมตร และคลื่นเสียงระหว่าง 20 ถึง 20,000 เฮิรตซ์ แต่สิ่งที่ควบคุมโลกเคมีที่จมูกของเราตรวจพบ?

Wiltschko ผู้ซึ่งเพิ่งออกจาก Google Research เพื่อเป็น ผู้ประกอบการในที่อยู่อาศัย ที่ GV ซึ่งเป็นบริษัทร่วมทุนของอัลฟาเบท

เมแทบอลิซึมหมายถึงชุดของปฏิกิริยาเคมี รวมถึงวัฏจักรเครบส์ ไกลโคไลซิส วัฏจักรยูเรีย และกระบวนการอื่นๆ อีกมากมาย ที่เร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์ของเซลล์และเปลี่ยนโมเลกุลหนึ่งไปเป็นอีกโมเลกุลหนึ่งในเซลล์ เส้นทางปฏิกิริยาที่สึกหรออย่างดีเหล่านี้กำหนดแผนที่ของความสัมพันธ์ระหว่างสารเคมีที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติซึ่งไหลเข้าสู่จมูกของเรา

สมมติฐานของ Wiltschko นั้นเรียบง่าย: บางทีสารเคมีที่มีกลิ่นคล้ายคลึงกันไม่ได้เกี่ยวข้องแค่ทางเคมีเท่านั้น แต่มีความเกี่ยวข้องทางชีววิทยาด้วย

เพื่อทดสอบแนวคิด ทีมของเขาต้องการแผนที่ของปฏิกิริยาเมตาบอลิซึมที่เกิดขึ้นในธรรมชาติ โชคดีที่นักวิทยาศาสตร์ในด้านเมตาบอลิซึมได้สร้างฐานข้อมูลขนาดใหญ่ที่สรุปความสัมพันธ์ทางเคมีตามธรรมชาติเหล่านี้และเอ็นไซม์ที่ตกตะกอน ด้วยข้อมูลนี้ นักวิจัยสามารถเลือกโมเลกุลที่มีกลิ่นและคำนวณจำนวนปฏิกิริยาของเอนไซม์ที่จะใช้ในการแปลงโมเลกุลหนึ่งไปเป็นอีกโมเลกุลหนึ่ง

สำหรับการเปรียบเทียบ พวกเขายังต้องการแบบจำลองคอมพิวเตอร์ที่สามารถวัดปริมาณกลิ่นของโมเลกุลต่างๆ ที่มีต่อมนุษย์ได้ ด้วยเหตุนี้ ทีมของ Wiltschko จึงได้ปรับแต่งโมเดลโครงข่ายประสาทเทียมที่เรียกว่า แผนที่กลิ่นหลัก ที่สร้างขึ้นจากผลการแข่งขัน DREAM 2015 แผนที่นี้เป็นเหมือนก้อนเมฆ 5,000 จุด แต่ละอันเป็นตัวแทนของกลิ่นของโมเลกุลหนึ่ง จุดสำหรับโมเลกุลที่มีกลิ่นคล้ายกระจุกรวมกัน และโมเลกุลที่มีกลิ่นต่างกันมากอยู่ห่างไกลกัน เนื่องจากระบบคลาวด์เป็นมากกว่า 3 มิติ จึงมีข้อมูลถึง 256 มิติ มีเพียงเครื่องมือคอมพิวเตอร์ขั้นสูงเท่านั้นที่สามารถจัดการกับโครงสร้างได้

นักวิจัยมองหาความสัมพันธ์ที่สอดคล้องกันภายในแหล่งข้อมูลทั้งสอง พวกเขาสุ่มตัวอย่าง 50 คู่ของโมเลกุลและพบว่าสารเคมีที่อยู่ใกล้แผนที่เมแทบอลิซึมก็มีแนวโน้มที่จะเข้าใกล้แผนที่กลิ่นมากขึ้น แม้ว่าจะมีโครงสร้างที่แตกต่างกันมาก

Wiltschko ประหลาดใจกับความสัมพันธ์ การคาดการณ์ยังไม่สมบูรณ์แบบ แต่ก็ดีกว่าแบบจำลองก่อนหน้านี้ที่ทำได้โดยใช้โครงสร้างทางเคมีเพียงอย่างเดียว เขากล่าว

“นั่นไม่จำเป็นต้องเกิดขึ้นเลย” เขากล่าว “โมเลกุลสองโมเลกุลที่มีความคล้ายคลึงกันทางชีววิทยา เช่นเดียวกับการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ตัวหนึ่งที่ถอยห่างออกไป พวกมันสามารถได้กลิ่นเหมือนดอกกุหลาบและไข่เน่า” แต่พวกเขาไม่ได้ “และนั่นก็บ้าไปแล้วสำหรับฉัน มันสวยงามสำหรับฉัน”

นักวิจัยยังพบว่าโมเลกุลที่มักเกิดขึ้นพร้อมกันในธรรมชาติ ตัวอย่างเช่น องค์ประกอบทางเคมีต่างๆ ของส้ม มีแนวโน้มที่จะมีกลิ่นคล้ายคลึงกันมากกว่าโมเลกุลที่ไม่มีการเชื่อมโยงตามธรรมชาติ

ปรับเคมีให้เข้ากับธรรมชาติ

การค้นพบนี้ “ใช้งานง่ายและสง่างาม” . กล่าว โรเบิร์ต ดัตตานักประสาทวิทยาที่ Harvard Medical School และอดีตที่ปรึกษาระดับปริญญาเอกของ Wiltschko ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษาเมื่อเร็วๆ นี้ “มันเหมือนกับว่าระบบการดมกลิ่นถูกสร้างขึ้นเพื่อตรวจจับความบังเอิญ [ทางเคมี] ที่หลากหลาย” เขากล่าว "ดังนั้น เมแทบอลิซึมจึงควบคุมความบังเอิญที่เป็นไปได้" สิ่งนี้บ่งชี้ว่ามีคุณสมบัติอื่นนอกเหนือจากโครงสร้างทางเคมีของโมเลกุลที่มีความสำคัญต่อจมูกของเรา นั่นคือกระบวนการเผาผลาญที่สร้างโมเลกุลในโลกธรรมชาติ

“ระบบการดมกลิ่นได้รับการปรับแต่งสำหรับจักรวาลที่มันมองเห็น ซึ่งเป็นโครงสร้างของโมเลกุลเหล่านี้ และวิธีการสร้างโมเลกุลเหล่านี้ก็เป็นส่วนหนึ่งของสิ่งนั้น” เมเยอร์กล่าว เขายกย่องความฉลาดของแนวคิดเรื่องการใช้เมตาบอลิซึมเพื่อปรับแต่งการจัดหมวดหมู่กลิ่น แม้ว่าแผนที่ที่อิงตามเมแทบอลิซึมไม่ได้ปรับปรุงอย่างมากในแบบจำลองโครงสร้าง เนื่องจากต้นกำเนิดเมตาบอลิซึมของโมเลกุลมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับโครงสร้างของมันอยู่แล้ว "มันนำข้อมูลเพิ่มเติมมาให้" เขากล่าว

เมเยอร์คาดการณ์ว่าขอบเขตถัดไปของประสาทวิทยาการดมกลิ่นจะเกี่ยวข้องกับกลิ่นของสารผสมแทนที่จะเป็นโมเลกุลแต่ละโมเลกุล ในชีวิตจริง เราแทบไม่เคยสูดสารเคมีเข้าไปทีละตัว คิดถึงแก้วกาแฟของคุณนับร้อยที่ลอยอยู่ ขณะนี้ นักวิทยาศาสตร์ไม่มีข้อมูลเพียงพอเกี่ยวกับสารผสมกลิ่นที่จะสร้างแบบจำลองเช่นเดียวกับสารเคมีบริสุทธิ์ที่ใช้ในการศึกษาเมื่อเร็วๆ นี้ เพื่อให้เข้าใจความรู้สึกของกลิ่นอย่างแท้จริง เราจะต้องตรวจสอบว่ากลุ่มดาวของสารเคมีมีปฏิกิริยาอย่างไรเพื่อสร้างกลิ่นที่ซับซ้อนเช่นในขวดน้ำหอมของ Wiltschko

โครงการนี้ได้เปลี่ยนวิธีที่ Wiltschko คิดเกี่ยวกับความหลงใหลตลอดชีวิตของเขา เมื่อคุณสัมผัสกับกลิ่น “คุณกำลังรับรู้ส่วนต่าง ๆ ของสิ่งมีชีวิตอื่น” เขากล่าว “ฉันแค่คิดว่ามันสวยงามจริงๆ ฉันรู้สึกเชื่อมโยงกับชีวิตแบบนั้นมากขึ้น”

หมายเหตุบรรณาธิการ: Datta ผู้ตรวจสอบกับ Simons Collaboration on Plasticity และ Aging Brain และ SFARI ได้รับเงินทุนจากมูลนิธิ Simons ซึ่งสนับสนุนนิตยสารอิสระด้านบรรณาธิการนี้ด้วย