Алекс Вільчко почав колекціонувати парфуми ще в підлітковому віці. Його першою пляшкою був Azzaro Pour Homme, вічний одеколон, який він помітив на полиці в універмазі TJ Maxx. Він упізнав ім'я з Парфуми: Посібник, книга, чиї поетичні описи ароматів поклали початок його одержимості. Зачарований, він накопичив гроші, щоб поповнити свою колекцію. «Я закінчився тим, що потрапив у кролячу нору», — сказав він.
Зовсім недавно як нюховий нейробіолог для Google Research Мозкова команда, Вільчко використовував машинне навчання, щоб розібрати наш найдавніший і найменш зрозумілий сенс. Іноді він майже з тугою дивився на своїх колег, які вивчали інші органи чуття. «У них є ці прекрасні інтелектуальні структури, ці собори знань», — сказав він, які пояснюють зоровий і слуховий світ, присоромлюючи те, що ми знаємо про нюх.
Проте нещодавня робота Вільтчко та його колег допомагає це змінити. в папір вперше опублікований на сервері препринтів biorxiv.org у липні, вони описали використання машинного навчання для вирішення давньої проблеми нюхової науки. Їхні висновки значно покращили здатність дослідників обчислювати запах молекули за її структурою. Крім того, те, як вони вдосконалили ці розрахунки, дозволило по-новому зрозуміти, як працює наш нюх, виявивши прихований порядок у тому, як наше сприйняття запахів відповідає хімічному складу живого світу.
Коли ви вдихаєте ранкову каву, 800 різних типів молекул подорожують до ваших рецепторів запаху. Завдяки складності цього багатого хімічного портрета наш мозок синтезує загальне сприйняття: кава. Однак дослідники виявили, що надзвичайно важко передбачити, як пахне навіть одна молекула для нас, людей. Наш ніс містить 400 різних рецепторів для визначення хімічного складу навколишнього світу, і ми тільки починаємо розуміти, скільки з цих рецепторів можуть взаємодіяти з певною молекулою. Але навіть з цими знаннями незрозуміло, як комбінації вхідних запахів відображаються на нашому сприйнятті ароматів як солодких, мускусних, огидних тощо.
«Не було чіткої моделі, яка б дала вам прогнози щодо того, як пахне більшість молекул», — сказав Пабло Майєр, який вивчає біомедичну аналітику та моделювання нюху в IBM Research і не брав участі в останньому дослідженні. Мейєр вирішив зосередити увагу IBM на знаковій проблемі «структура-запах». 2015 DREAM challenge, змагання з обчислювального краудсорсингу. Команди змагалися, щоб створити моделі, які могли б передбачити запах молекули за її структурою.
Але навіть найкращі моделі не могли все пояснити. Усі дані переповнювали набридливі, нерегулярні випадки, які протистояли прогнозуванню. Іноді невеликі зміни в хімічній структурі молекули створювали абсолютно новий запах. В інших випадках значні структурні зміни майже не змінювали запах.
Метаболічна організація запахів
Щоб спробувати пояснити ці незвичайні випадки, Вільчко та його команда розглянули вимоги, які еволюція могла поставити перед нашими відчуттями. Кожен орган чуття був налаштований протягом мільйонів років, щоб виявити найбільш помітний діапазон подразників. Для людського зору та слуху це світло з довжиною хвилі від 400 до 700 нанометрів і звукові хвилі від 20 до 20,000 XNUMX герц. Але що керує хімічним світом, який виявляє наш ніс?
«Єдина річ, яка була незмінною протягом еволюційного часу, принаймні з дуже давніх часів, — це основний метаболічний двигун усередині кожної живої істоти», — сказав Вільчко, який нещодавно залишив Google Research, щоб стати підприємець-резидент у дочірній компанії венчурного капіталу Alphabet, GV.
Метаболізм відноситься до наборів хімічних реакцій, включаючи цикл Кребса, гліколіз, цикл сечовини та багато інших процесів, які каталізуються клітинними ферментами та перетворюють одну молекулу в іншу в клітинах. Ці відпрацьовані шляхи реакції визначають карту взаємозв’язків між природними хімічними речовинами, які потрапляють у наш ніс.
Гіпотеза Вільчко була простою: можливо, хімічні речовини, які мають схожий запах, пов’язані не лише хімічно, але й біологічно.
Щоб перевірити цю ідею, його команді потрібна була карта метаболічних реакцій, які відбуваються в природі. На щастя, вчені в галузі метаболоміки вже створили велику базу даних, яка окреслила ці природні хімічні зв’язки та ферменти, які їх викликають. Маючи ці дані, дослідники могли вибрати дві пахучі молекули та підрахувати, скільки ферментативних реакцій знадобиться, щоб перетворити одну в іншу.
Для порівняння їм також потрібна була комп’ютерна модель, яка могла б кількісно визначити, як пахнуть різні молекули з запахом для людини. З цією метою команда Вільчко вдосконалювала модель нейронної мережі під назвою карта основного запаху на основі результатів конкурсу DREAM 2015 року. Ця карта схожа на хмару з 5,000 точок, кожна з яких представляє запах однієї молекули. Точки для молекул, які мають подібний запах, скупчуються разом, а ті, що мають дуже різні запахи, знаходяться далеко одна від одної. Оскільки хмара — це набагато більше, ніж 3D — вона містить 256 вимірів інформації — лише передові обчислювальні інструменти можуть впоратися з її структурою.
Дослідники шукали відповідні зв’язки в двох джерелах даних. Вони відібрали 50 пар молекул і виявили, що хімічні речовини, які були ближче на карті метаболізму, також були ближче на карті аромату, навіть якщо вони мали дуже різні структури.
Вільчко був вражений співвідношенням. Прогнози все ще не були досконалими, але вони були кращими, ніж будь-яка попередня модель, досягнута лише з хімічною структурою, сказав він.
«Цього взагалі не повинно було статися», — сказав він. «Дві молекули, які біологічно подібні, як один ферментний каталіз, на крок від них можуть пахнути трояндами та тухлими яйцями». Але вони цього не зробили. «І це для мене божевілля. Для мене це красиво».
Дослідники також виявили, що молекули, які зазвичай зустрічаються разом у природі — наприклад, різні хімічні компоненти апельсина — зазвичай мають більш схожий запах, ніж молекули без природного зв’язку.
Хімічно налаштований на природу
Висновки є «інтуїтивно зрозумілими та елегантними». Роберт Датта, нейробіолог з Гарвардської медичної школи та колишній докторський радник Вільчко, який не брав участі в нещодавньому дослідженні. «Це ніби нюхова система створена для виявлення різноманітних [хімічних] збігів», — сказав він. «Тож метаболізм керує можливими збігами». Це вказує на те, що для нашого носа є ще одна особливість, окрім хімічної структури молекули, — метаболічний процес, у результаті якого молекула виникла в природному світі.
«Нюхова система налаштована на Всесвіт, який вона бачить, тобто ці структури молекул. І те, як створюються ці молекули, є частиною цього», — сказав Мейєр. Він похвалив розумну ідею використання метаболізму для уточнення категоризації запахів. Хоча карта, заснована на метаболізмі, не суттєво покращує структурні моделі, оскільки метаболічне походження молекули вже тісно пов’язане з її структурою, «вона приносить деяку додаткову інформацію», сказав він.
Наступний рубіж нюхової нейронауки включатиме запахи сумішей замість окремих молекул, прогнозує Мейєр. У реальному житті ми дуже рідко вдихаємо лише одну хімічну речовину за раз; подумайте про сотні, які віють із вашої чашки кави. Зараз у вчених недостатньо даних про суміші одорантів, щоб побудувати модель, подібну до моделі для чистих хімікатів, використаних у нещодавньому дослідженні. Щоб по-справжньому зрозуміти наш нюх, нам потрібно дослідити, як сузір’я хімічних речовин взаємодіють, утворюючи складні запахи, подібні до ароматів у флаконах для парфумів Вільтчко.
Цей проект вже змінив уявлення Вільчка про своє життєве захоплення. Коли ви відчуваєте запах, «ви сприймаєте частини іншої живої істоти», сказав він. «Я просто думаю, що це справді красиво. Так я відчуваю себе більш пов’язаним із життям».
Примітка редактора: Датта, дослідник спільноти Simons Collaboration on Plasticity and the Aging Brain і SFARI, отримує фінансування від фонду Simons Foundation, який також спонсорує цей незалежний редакційний журнал.
