Alex Wiltschko, bir genç olarak parfüm toplamaya başladı. İlk şişesi, bir TJ Maxx mağazasının rafında gördüğü zamansız bir kolonya olan Azzaro Pour Homme idi. Adından tanıdı Parfümler: Rehber, aromanın şiirsel açıklamaları saplantısını başlatan bir kitap. Büyülenmiş olarak, koleksiyonuna eklemek için harçlığını biriktirdi. “Sonunda kesinlikle tavşan deliğinden aşağı indim” dedi.
Daha yakın zamanlarda, Google Research'ün koku alma nörobilimcisi olarak beyin takımıWiltschko, en eski ve en az anlaşılan duyumuzu incelemek için makine öğrenimini kullandı. Bazen diğer duyuları inceleyen meslektaşlarına neredeyse özlemle baktı. Koku hakkında bildiklerimizi utandırarak görsel ve işitsel dünyayı açıklayan "Bu güzel entelektüel yapılara, bu bilgi katedrallerine sahipler" dedi.
Ancak Wiltschko ve meslektaşlarının son çalışmaları bunu değiştirmeye yardımcı oluyor. İçinde Kağıt ilk kez Temmuz ayında biorxiv.org ön baskı sunucusunda yayınlandı, koku alma biliminde uzun süredir devam eden bir zorluğun üstesinden gelmek için makine öğrenimini kullanmayı anlattılar. Bulguları, araştırmacıların bir molekülün kokusunu yapısından hesaplama yeteneğini önemli ölçüde geliştirdi. Dahası, bu hesaplamaları geliştirme biçimleri, koku alma duyumuzun nasıl çalıştığına dair yeni anlayışlar sağladı ve koku algılarımızın canlı dünyanın kimyasına nasıl karşılık geldiğine dair gizli bir düzeni ortaya çıkardı.
Sabah kahvenizin bir kokusunu içinize çektiğinizde, koku alıcılarınıza 800 farklı türde molekül hareket eder. Bu zengin kimyasal portrenin karmaşıklığından, beynimiz genel bir algıyı sentezler: kahve. Ancak araştırmacılar, tek bir molekülün bile biz insanlara nasıl kokacağını tahmin etmeyi son derece zor buldular. Burunlarımız, çevremizdeki dünyanın kimyasal yapısını tespit etmek için 400 farklı reseptör barındırıyor ve bu reseptörlerin kaçının belirli bir molekülle etkileşime girebileceğini yeni anlamaya başlıyoruz. Ancak bu bilgiyle bile, koku girdilerinin kombinasyonlarının, koku algılarımızı tatlı, misk, iğrenç ve daha fazlası olarak nasıl eşleştirdiği açık değildir.
"Çoğu molekülün nasıl koktuğuna dair size tahminler verecek net bir model yoktu" dedi. Pablo MeyerIBM Research'te biyomedikal analitik ve koku alma modellemesi üzerine çalışan ve yakın zamanda yapılan çalışmada yer almamış olan Dr. Meyer, ikonik yapıdan kokuya sorununu IBM'in odak noktası haline getirmeye karar verdi. 2015 DREAM meydan okuması, bir bilgi işlem kitle kaynaklı rekabet. Takımlar, bir molekülün kokusunu yapısından tahmin edebilecek modeller oluşturmak için yarıştı.
Ama en iyi modeller bile her şeyi açıklayamazdı. Veriler, tahmine direnen sinir bozucu, düzensiz vakalardı. Bazen, bir molekülün kimyasal yapısındaki küçük değişiklikler, tamamen yeni bir koku verdi. Diğer zamanlarda, büyük yapısal değişiklikler kokuyu zar zor değiştirdi.
Kokular için Metabolik Bir Organizasyon
Bu düzensiz durumları açıklamaya çalışmak için Wiltschko ve ekibi, evrimin duyularımıza yüklemiş olabileceği gereksinimleri göz önünde bulundurdu. Her duyu, en belirgin uyaran aralığını tespit etmek için milyonlarca yıl boyunca ayarlanmıştır. İnsan görme ve işitme için, bu, 400-700 nanometre dalga boylarının ve 20 ile 20,000 hertz arasındaki ses dalgalarının ışığıdır. Ama burunlarımız tarafından algılanan kimyasal dünyayı yöneten nedir?
Yakın zamanda Google Research'ten ayrılan Wiltschko, "En azından çok uzun zaman önce, evrimsel zaman boyunca sabit olan tek şey, her canlının içindeki temel metabolik motordur" dedi. yerleşik girişimci Alphabet'in risk sermayesi iştiraki GV'de.
Metabolizma, hücresel enzimler tarafından katalize edilen ve hücrelerde bir molekülü diğerine dönüştüren Krebs döngüsü, glikoliz, üre döngüsü ve diğer birçok süreç dahil olmak üzere kimyasal reaksiyon kümelerini ifade eder. Bu iyi aşınmış reaksiyon yolları, burunlarımıza sızan doğal olarak oluşan kimyasallar arasındaki ilişkilerin bir haritasını tanımlar.
Wiltschko'nun hipotezi basitti: Belki benzer kokan kimyasallar sadece kimyasal olarak değil, biyolojik olarak da ilişkilidir.
Bu fikri test etmek için ekibinin doğada meydana gelen metabolik reaksiyonların bir haritasına ihtiyacı vardı. Neyse ki, metabolomik alanındaki bilim adamları, bu doğal kimyasal ilişkileri ve onları çökelten enzimleri özetleyen büyük bir veri tabanı oluşturmuşlardı. Bu verilerle, araştırmacılar iki kokulu molekül seçip birini diğerine dönüştürmek için kaç enzimatik reaksiyon gerektiğini hesaplayabilirler.
Karşılaştırma için, çeşitli kokulu moleküllerin insanlara nasıl koktuğunu ölçebilecek bir bilgisayar modeline de ihtiyaçları vardı. Bu amaçla, Wiltschko'nun ekibi, bir sinir ağı modeli olarak adlandırılan bir sinir ağı modelini geliştiriyordu. ana koku haritası 2015 DREAM yarışmasının bulgularına dayanıyordu. Bu harita, her biri bir molekülün kokusunu temsil eden 5,000 noktadan oluşan bir bulut gibidir. Benzer kokan moleküllerin bir arada kümelenme noktaları ile çok farklı kokan moleküllerin noktaları birbirinden çok uzaktır. Bulut 3B'den çok daha fazlası olduğu için - 256 bilgi boyutu içerir - yalnızca gelişmiş bilgi işlem araçları yapısıyla boğuşabilir.
Araştırmacılar, iki veri kaynağında karşılık gelen ilişkileri aradılar. 50 çift molekülü örneklediler ve metabolizma haritasında daha yakın olan kimyasalların, çok farklı yapılara sahip olsalar bile, koku haritasında da daha yakın olma eğiliminde olduklarını buldular.
Wiltschko bu korelasyon karşısında hayrete düştü. Tahminler hala mükemmel değildi, ancak yalnızca kimyasal yapı ile elde edilen önceki herhangi bir modelden daha iyiydi, dedi.
"Bunun hiç olması gerekmiyordu," dedi. "Biyolojik olarak benzer iki molekül, bir enzim katalizi gibi uzaklaştığında, gül ve çürük yumurta gibi kokabilirler." Ama yapmadılar. "Ve bu benim için delilik. Benim için güzel.”
Araştırmacılar ayrıca, genellikle doğada bir arada bulunan moleküllerin - örneğin bir portakalın farklı kimyasal bileşenlerinin - doğal bir ilişkiye sahip olmayan moleküllere göre daha benzer kokma eğiliminde olduğunu buldular.
Kimyasal Olarak Doğaya Uyumlu
Bulgular "sezgisel ve zarif" dedi Robert Datta, Harvard Tıp Okulu'nda bir nörobiyolog ve Wiltschko'nun son çalışmaya dahil olmayan eski doktora danışmanı. “Koku alma sistemi, çeşitli [kimyasal] tesadüfleri tespit etmek için inşa edilmiş gibi” dedi. "Yani metabolizma mümkün olan tesadüfleri yönetir." Bu, bir molekülün burunlarımız için önemli olan kimyasal yapısının yanı sıra başka bir özelliğin daha olduğunu gösterir - molekülü doğal dünyada üreten metabolik süreç.
"Koku alma sistemi, gördüğü evren için ayarlanmıştır, bu molekül yapılarıdır. Ve bu moleküllerin nasıl yapıldığı bunun bir parçası” dedi Meyer. Kokuların sınıflandırılmasını iyileştirmek için metabolizmayı kullanma fikrinin zekasını övdü. Metabolizma tabanlı harita, yapısal modellerde büyük ölçüde gelişmese de, bir molekülün metabolik kökeni zaten yapısıyla yakından ilişkili olduğundan, “bazı ekstra bilgiler getiriyor” dedi.
Meyer, koku alma sinirbiliminin bir sonraki sınırının tek tek moleküller yerine karışımların kokularını içereceğini tahmin ediyor. Gerçek hayatta, her seferinde sadece bir kimyasalı çok nadiren soluruz; Kahve kupanızdan süzülen yüzlerce kişiyi düşünün. Şu anda bilim adamları, son çalışmada kullanılan saf kimyasallar için olduğu gibi bir model oluşturmak için koku karışımları hakkında yeterli veriye sahip değiller. Koku duyumuzu gerçekten anlamak için, Wiltschko'nun parfüm şişelerindeki gibi karmaşık kokular oluşturmak için kimyasal takımyıldızlarının nasıl etkileşime girdiğini incelememiz gerekecek.
Bu proje, Wiltschko'nun ömür boyu süren tutkusu hakkındaki düşüncesini çoktan değiştirdi. Bir koku aldığınızda, “başka bir canlının parçalarını algılıyorsunuz” dedi. "Bence bu gerçekten çok güzel. Hayata bu şekilde daha bağlı hissediyorum."
Editörün notu: Simons Collaboration on Plasticity and the Aging Brain ve SFARI'da araştırmacı olan Datta, editoryal açıdan bağımsız bu dergiye de sponsor olan Simons Foundation'dan fon almaktadır.
