Alex Wiltschko bắt đầu sưu tầm nước hoa khi còn là thiếu niên. Chai đầu tiên của anh là Azzaro Pour Homme, một loại nước hoa vượt thời gian mà anh tìm thấy trên kệ tại cửa hàng bách hóa TJ Maxx. Anh nhận ra cái tên từ Nước hoa: Hướng dẫn, cuốn sách miêu tả đầy chất thơ về hương thơm đã khơi dậy nỗi ám ảnh của anh. Bị mê hoặc, anh đã tiết kiệm tiền tiêu vặt để bổ sung vào bộ sưu tập của mình. “Cuối cùng thì tôi đã đi xuống hố thỏ,” anh nói.
Gần đây hơn, với tư cách là nhà khoa học thần kinh khứu giác của Google Research Đội ngũ trí tuệ, Wiltschko đã sử dụng công nghệ máy học để mổ xẻ ý nghĩa cổ xưa nhất và ít được hiểu rõ nhất của chúng ta. Đôi khi anh gần như khao khát nhìn các đồng nghiệp của mình đang nghiên cứu các giác quan khác. Ông nói: “Họ có những cấu trúc trí tuệ tuyệt đẹp này, những thánh đường kiến thức này,” giải thích về thế giới thị giác và thính giác, khiến những gì chúng ta biết về khứu giác trở nên xấu hổ.
Tuy nhiên, công trình gần đây của Wiltschko và các đồng nghiệp của ông đang giúp thay đổi điều đó. TRONG một tờ giấy được đăng lần đầu tiên trên máy chủ in sẵn biorxiv.org vào tháng 7, họ đã mô tả việc sử dụng máy học để giải quyết thách thức lâu dài trong khoa học khứu giác. Phát hiện của họ đã cải thiện đáng kể khả năng tính toán mùi của phân tử từ cấu trúc của nó. Hơn nữa, cách họ cải thiện những phép tính đó đã mang lại những hiểu biết mới về cách hoạt động của khứu giác của chúng ta, tiết lộ một trật tự ẩn giấu trong cách nhận thức về mùi của chúng ta tương ứng với đặc tính hóa học của thế giới sống.
Khi bạn hít một ngụm cà phê buổi sáng, 800 loại phân tử khác nhau sẽ di chuyển đến cơ quan cảm nhận mùi của bạn. Từ sự phức tạp của bức chân dung hóa học phong phú này, bộ não của chúng ta tổng hợp nên một nhận thức tổng thể: cà phê. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu nhận thấy rất khó để dự đoán ngay cả một phân tử đơn lẻ sẽ có mùi như thế nào đối với con người chúng ta. Mũi của chúng ta chứa 400 cơ quan thụ cảm khác nhau để phát hiện thành phần hóa học của thế giới xung quanh và chúng ta chỉ mới bắt đầu tìm hiểu xem có bao nhiêu cơ quan thụ cảm đó có thể tương tác với một phân tử nhất định. Nhưng ngay cả với kiến thức đó, vẫn chưa rõ sự kết hợp của các yếu tố đầu vào mùi sẽ ảnh hưởng như thế nào đến nhận thức của chúng ta về các loại nước hoa như ngọt ngào, xạ hương, kinh tởm và hơn thế nữa.
“Không có mô hình rõ ràng nào có thể đưa ra dự đoán về mùi của hầu hết các phân tử,” cho biết. Pablo Meyer, người nghiên cứu phân tích y sinh và mô hình khứu giác tại IBM Research và không tham gia vào nghiên cứu gần đây. Meyer quyết định biến vấn đề cấu trúc thành mùi hương mang tính biểu tượng trở thành trọng tâm của IBM Thử thách GIẤC MƠ 2015, một cuộc thi cung cấp dịch vụ điện toán cho cộng đồng. Các đội cạnh tranh để xây dựng các mô hình có thể dự đoán mùi của phân tử từ cấu trúc của nó.
Nhưng ngay cả những mô hình tốt nhất cũng không thể giải thích được mọi thứ. Rải rác khắp dữ liệu là những trường hợp khó chịu, bất thường, cản trở việc dự đoán. Đôi khi, những điều chỉnh nhỏ trong cấu trúc hóa học của phân tử sẽ mang lại một mùi hoàn toàn mới. Những lần khác, những thay đổi lớn về cấu trúc hầu như không làm thay đổi mùi.
Một tổ chức trao đổi chất cho mùi
Để cố gắng giải thích những trường hợp bất thường này, Wiltschko và nhóm của ông đã xem xét những yêu cầu mà quá trình tiến hóa có thể đặt ra đối với các giác quan của chúng ta. Mỗi giác quan đã được điều chỉnh qua hàng triệu năm để phát hiện phạm vi kích thích nổi bật nhất. Đối với thị giác và thính giác của con người, đó là ánh sáng có bước sóng từ 400-700 nanomet và sóng âm từ 20 đến 20,000 hertz. Nhưng điều gì chi phối thế giới hóa học mà mũi chúng ta phát hiện được?
Wiltschko, người gần đây đã rời Google Research để trở thành chuyên gia nghiên cứu, cho biết: “Có một điều không đổi trong suốt quá trình tiến hóa, ít nhất là từ rất lâu trước đây, đó là động cơ trao đổi chất cốt lõi bên trong mọi sinh vật”. doanh nhân cư trú tại công ty con đầu tư mạo hiểm của Alphabet, GV.
Trao đổi chất đề cập đến tập hợp các phản ứng hóa học - bao gồm chu trình Krebs, đường phân, chu trình urê và nhiều quá trình khác - được xúc tác bởi các enzyme của tế bào và chuyển đổi phân tử này thành phân tử khác trong tế bào. Những con đường phản ứng quen thuộc này xác định bản đồ mối quan hệ giữa các hóa chất xuất hiện tự nhiên đi vào mũi của chúng ta.
Giả thuyết của Wiltschko rất đơn giản: Có lẽ các hóa chất có mùi tương tự không chỉ liên quan đến hóa học mà còn liên quan đến sinh học.
Để kiểm tra ý tưởng này, nhóm của ông cần một bản đồ về các phản ứng trao đổi chất xảy ra trong tự nhiên. May mắn thay, các nhà khoa học trong lĩnh vực chuyển hóa đã xây dựng được một cơ sở dữ liệu lớn phác thảo các mối quan hệ hóa học tự nhiên này và các enzym kết tủa chúng. Với dữ liệu này, các nhà nghiên cứu có thể chọn hai phân tử có mùi và tính toán cần bao nhiêu phản ứng enzym để chuyển đổi phân tử này sang phân tử kia.
Để so sánh, họ cũng cần một mô hình máy tính có thể định lượng mùi của các phân tử mùi khác nhau đối với con người. Để đạt được mục tiêu đó, nhóm của Wiltschko đã cải tiến một mô hình mạng lưới thần kinh được gọi là bản đồ mùi chính được xây dựng dựa trên kết quả của cuộc thi DREAM 2015. Bản đồ này giống như một đám mây gồm 5,000 điểm, mỗi điểm tượng trưng cho mùi hương của một phân tử. Các điểm dành cho các phân tử có mùi giống nhau tập hợp lại với nhau và những điểm có mùi rất khác nhau cách xa nhau. Bởi vì đám mây không chỉ là 3D - nó chứa 256 chiều thông tin - chỉ các công cụ điện toán tiên tiến mới có thể xử lý được cấu trúc của nó.
Các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm mối quan hệ tương ứng trong hai nguồn dữ liệu. Họ đã lấy mẫu 50 cặp phân tử và phát hiện ra rằng các hóa chất ở gần hơn trên bản đồ trao đổi chất cũng có xu hướng ở gần hơn trên bản đồ mùi hương, ngay cả khi chúng có cấu trúc rất khác nhau.
Wiltschko rất ngạc nhiên trước mối tương quan này. Ông nói, những dự đoán vẫn chưa hoàn hảo, nhưng chúng tốt hơn bất kỳ mô hình nào trước đây đạt được chỉ với cấu trúc hóa học.
“Điều đó không nhất thiết phải xảy ra,” anh nói. “Hai phân tử giống nhau về mặt sinh học, giống như một enzyme xúc tác cách nhau một bước, chúng có thể có mùi như hoa hồng và trứng thối.” Nhưng họ đã không làm vậy. “Và điều đó thật điên rồ với tôi. Nó thật đẹp đối với tôi.”
Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng các phân tử thường xuất hiện cùng nhau trong tự nhiên - ví dụ, các thành phần hóa học khác nhau của một quả cam - có xu hướng có mùi giống nhau hơn các phân tử không có mối liên kết tự nhiên.
Hòa hợp về mặt hóa học với thiên nhiên
Những phát hiện này là “trực quan và tao nhã”, cho biết Robert Datta, một nhà sinh học thần kinh tại Trường Y Harvard và là cựu cố vấn tiến sĩ của Wiltschko, người không tham gia vào nghiên cứu gần đây. “Giống như hệ thống khứu giác được xây dựng để phát hiện nhiều sự trùng hợp [hóa học],” ông nói. “Vì vậy, quá trình trao đổi chất chi phối những sự trùng hợp có thể xảy ra.” Điều này chỉ ra rằng có một đặc điểm khác ngoài cấu trúc hóa học của phân tử quan trọng đối với mũi của chúng ta - quá trình trao đổi chất tạo ra phân tử trong thế giới tự nhiên.
“Hệ thống khứu giác được điều chỉnh cho phù hợp với vũ trụ mà nó nhìn thấy, đó là những cấu trúc của phân tử. Và cách những phân tử này được tạo ra là một phần trong đó”, Meyer nói. Ông ca ngợi sự thông minh của ý tưởng sử dụng quá trình trao đổi chất để tinh chỉnh việc phân loại mùi hương. Mặc dù bản đồ dựa trên quá trình trao đổi chất không cải thiện đáng kể trên các mô hình cấu trúc, vì nguồn gốc trao đổi chất của phân tử đã liên quan chặt chẽ đến cấu trúc của nó, “nó mang lại một số thông tin bổ sung,” ông nói.
Biên giới tiếp theo của khoa học thần kinh khứu giác sẽ liên quan đến mùi của hỗn hợp thay vì các phân tử riêng lẻ, Meyer dự đoán. Trong cuộc sống thực, chúng ta rất hiếm khi chỉ hít phải một loại hóa chất mỗi lần; hãy nghĩ đến hàng trăm thứ đang bay ra từ cốc cà phê của bạn. Hiện tại, các nhà khoa học không có đủ dữ liệu về hỗn hợp chất tạo mùi để xây dựng mô hình giống như mô hình dành cho hóa chất nguyên chất được sử dụng trong nghiên cứu gần đây. Để thực sự hiểu được khứu giác của chúng ta, chúng ta cần kiểm tra cách các nhóm hóa chất tương tác với nhau để tạo thành những mùi phức tạp giống như mùi trong chai nước hoa của Wiltschko.
Dự án này đã thay đổi cách Wiltschko nghĩ về niềm đam mê cả đời của mình. Ông nói: Khi bạn ngửi thấy mùi, “bạn đang cảm nhận được các bộ phận của một sinh vật sống khác”. “Tôi chỉ nghĩ nó thực sự rất đẹp. Tôi cảm thấy gắn kết hơn với cuộc sống theo cách đó.”
Lưu ý của biên tập viên: Datta, một nhà điều tra của Tổ chức Hợp tác Simons về Độ dẻo và Bộ não Lão hóa và SFARI, nhận được tài trợ từ Quỹ Simons, tổ chức cũng tài trợ cho tạp chí biên tập độc lập này.
