本文來(lái)自微信公眾號(hào)：神經(jīng)現(xiàn)實(shí) （ID：neureality），作者：LinaZeldovich，譯者：Zetian，校對(duì)：瑪雅藍(lán)，編輯：Nevaeh，頭圖來(lái)自：unsplash
現(xiàn)在是2050年，你該做每月一次的例行體檢了。時(shí)代變了，你終于不再需要忍受五官科檢查、靜脈采血，再花費(fèi)一周的時(shí)間來(lái)等待驗(yàn)血結(jié)果。取而代之的是，護(hù)士笑臉相迎滿臉笑意地對(duì)你說：“現(xiàn)在，醫(yī)生要聞你了?！比缓竽惚活I(lǐng)進(jìn)與一臺(tái)巨大計(jì)算機(jī)相連的密封艙。當(dāng)你在里面放松休息時(shí)，從你的鼻腔和皮膚散發(fā)出的易揮發(fā)性氣味分子，會(huì)緩緩地飄進(jìn)一臺(tái)精密的人工智能儀，俗稱深鼻（Deep Nose）。屏幕后的巨型電腦開始分析這些分子，將它們與已有的龐大嗅覺數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較。一旦深鼻得到了足夠多的氣味，它就會(huì)將你的氣味和那些因系統(tǒng)性疾病而產(chǎn)生的氣味進(jìn)行匹配，并生成一份健康報(bào)告。最后，你的私人醫(yī)生將與你一起查看結(jié)果，并規(guī)劃治療或調(diào)整用藥。
這就是阿列克謝·庫(kù)拉科夫（Alexei Koulakov）研究員對(duì)未來(lái)醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)的一個(gè)可能設(shè)想。庫(kù)拉科夫在冷泉港實(shí)驗(yàn)室研究人類嗅覺系統(tǒng)是如何工作的，他從物理學(xué)家轉(zhuǎn)行成神經(jīng)科學(xué)家，如今正在努力揭示人類如何感知?dú)馕?，并根?jù)這些氣味“可聞”的特性對(duì)數(shù)百萬(wàn)易揮發(fā)性分子進(jìn)行分類。他計(jì)劃將現(xiàn)有的氣味編入一個(gè)全面的人工智能網(wǎng)絡(luò)，一旦建成，深鼻能夠識(shí)別某一個(gè)人的特定氣味，甚至其他任何值得關(guān)注的氣味集，無(wú)論是用于醫(yī)療還是其他目的。氣味是人或商品獨(dú)一無(wú)二的標(biāo)志，因此深鼻也可以幫助邊境巡邏，嗅探旅客、貨物或爆炸物。庫(kù)拉科夫說：“它將是一個(gè)可以診斷或識(shí)別你的芯片，在機(jī)場(chǎng)你無(wú)需出示護(hù)照，只需出示你自己（的氣味）。”而醫(yī)生看病將不費(fèi)吹灰之力。
經(jīng)同行評(píng)議的研究表明，狗狗經(jīng)過訓(xùn)練后可以聞出某些癌癥和結(jié)核病的特定氣味。但長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，人工智能電子鼻可能更加經(jīng)濟(jì)有效。圖片來(lái)自：pixabay
一個(gè)人的氣味能說明他的健康狀況嗎？答案是非?？隙ǖ?。德米特里·林伯格（Dmitry Rinberg）曾經(jīng)也是一名物理學(xué)家，現(xiàn)在是任職于紐約大學(xué)的神經(jīng)生物學(xué)家，他與庫(kù)拉科夫正在合作研究嗅覺。他說：“空氣中分子提供的信息非常豐富，甚至可以讓你知道人們昨晚在酒吧喝的是哪種啤酒?！?他補(bǔ)充說，氣味可以揭示身體內(nèi)正在發(fā)生的其他事情?！八晕覀冋噲D將這些信息用于基于氣味的診斷方法?！?/p>
最近的研究發(fā)現(xiàn)，包括癌癥、結(jié)核病和帕金森病在內(nèi)的許多疾病，可以通過改變?nèi)藗凅w味的易揮發(fā)性化合物表現(xiàn)出來(lái)。我們的身體會(huì)釋放出特定的代謝產(chǎn)物，一些產(chǎn)物的分子容易揮發(fā)，并成為我們體味的一部分，也稱為“氣味印記”。當(dāng)我們生病，或者處于病前狀態(tài)時(shí)，我們的代謝過程就開始以不同的方式運(yùn)作，釋放出不同的易揮發(fā)性分子或它們的混合物，我們的氣味印記也因此發(fā)生變化。庫(kù)拉科夫說：“這些分子帶有關(guān)于我們健康狀況的信息?！崩?，帕金森病患者會(huì)產(chǎn)生異常大量的皮脂1，這是一種由皮膚表面皮脂腺排出的富含蠟質(zhì)的生物體液，可以被靈敏的鼻子檢測(cè)到。深鼻可以從稀薄的空氣中獲取這一信息，從而讓醫(yī)生更快、更容易地下診斷，這也許還可以免去一些侵入性診斷操作。庫(kù)拉科夫說：“這將從根本上徹底改變?cè)\斷體系?！?/p>
希波克拉底、蓋勒努斯、阿維森納和其他古代醫(yī)生都使用嗅覺來(lái)診斷疾?。簜谟泄呻y聞氣味，意味著可能有感染；口臭則預(yù)示著多種疾病。現(xiàn)在的醫(yī)生卻不再通過嗅聞他們的病人來(lái)進(jìn)行診斷，因?yàn)楝F(xiàn)代社會(huì)人類的嗅覺功能普遍不佳，甚至可以說比我們祖先糟糕太多。我們的靈長(zhǎng)類祖先約有850種不同類型的嗅覺受體，而在我們身上還在運(yùn)作的只有350種，盡管通過不同的組合方式，我們能夠聞到的氣味數(shù)量已經(jīng)足以達(dá)到一個(gè)天文數(shù)字。（其余嗅覺受體則無(wú)法運(yùn)作。庫(kù)拉科夫打趣道：“它們是我們舊日榮耀的殘余。”） 與此同時(shí)，狗狗約有850種不同類型的嗅覺受體，小鼠約有1100到1200種，所以它們能夠分辨的氣味種類要多得多——包括那些人類由于機(jī)體疾病而產(chǎn)生的氣味。
科學(xué)家們?nèi)缃褚苍诶脛?dòng)物的嗅覺資源來(lái)診斷疾病，已有一些通過同行評(píng)議的成功案例。最近，來(lái)自數(shù)個(gè)研究機(jī)構(gòu)的一群科學(xué)家介紹了他們的合作研究：三只比格犬經(jīng)過訓(xùn)練后，成功識(shí)別有肺癌細(xì)胞血樣的準(zhǔn)確率為97%。2《英國(guó)醫(yī)學(xué)雜志》（British Medical Journal）上發(fā)表的一項(xiàng)研究指出，狗狗能夠通過聞糞便來(lái)判斷人們是否患有結(jié)直腸癌。3另一篇在《BMC癌癥》（BMC Cancer）雜志上發(fā)表的論文則表明狗狗可以聞出卵巢癌。4此外，在撒哈拉以南非洲地區(qū)，非洲巨鼠曾被訓(xùn)練聞病人的痰液樣本，成為 “結(jié)核病診斷師 ”。使用顯微鏡檢測(cè)結(jié)核病的結(jié)果其實(shí)很不穩(wěn)定，準(zhǔn)確率在20%到80%間浮動(dòng)，而通過大鼠鼻子的幫助，成功檢出的準(zhǔn)確率可提升高達(dá)44%。5
-Kirk！ Wallace-
然而，使用動(dòng)物進(jìn)行診斷的方法也存在一些不足。首先，動(dòng)物必須接受訓(xùn)練，而訓(xùn)練大量壽命不長(zhǎng)的動(dòng)物既昂貴、耗時(shí)，又不一定有效。此外，每當(dāng)你想讓它們聞出另一種疾病的氣味時(shí)，你就必須再次從頭訓(xùn)練所有的動(dòng)物。林伯格說：“動(dòng)物在實(shí)際診斷中的應(yīng)用非常有限?！?/p>
因此科學(xué)家們開始思考使用人工智能電子鼻代替動(dòng)物的可行性。開發(fā)人工智能電子鼻遠(yuǎn)比訓(xùn)練動(dòng)物更經(jīng)濟(jì)，它們的使用壽命更長(zhǎng)，并且可以配置標(biāo)準(zhǔn)軟件，定期進(jìn)行全平臺(tái)升級(jí)。這正是庫(kù)拉科夫?qū)ι畋堑脑O(shè)想——一個(gè)集捕捉氣味的“鼻子”和解釋氣味的“大腦”為一體的人工智能電子鼻。當(dāng)然，這并不是一件容易的事。深鼻需要以人腦的神經(jīng)機(jī)制為模型，但科學(xué)家們目前還沒有弄清楚人腦如何區(qū)分不同氣味。
在生物學(xué)上，嗅覺行為比我們的視覺能力更復(fù)雜，且我們對(duì)此了解更少。識(shí)別氣味是一個(gè)精妙而又錯(cuò)綜復(fù)雜的過程，在這個(gè)過程中，化學(xué)、生物學(xué)和物理學(xué)必須像演奏協(xié)奏曲一樣，同步協(xié)調(diào)地發(fā)揮作用——無(wú)論你是在享受玫瑰的芬香，還是捏著鼻子路過一堆狗糞。
在你的鼻腔內(nèi)，數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的嗅覺神經(jīng)元正等待著下一個(gè)氣味分子的光臨。這些神經(jīng)元有著稱為纖毛的微小指狀突起，它們漂浮在覆蓋鼻腔上皮細(xì)胞表面的粘液中。神經(jīng)元的另一端被稱為軸突，它們經(jīng)過顱骨內(nèi)特殊通道一直向上延伸到大腦，通向因形似洋蔥而得名的嗅球。氣味分子進(jìn)入鼻腔后與纖毛結(jié)合，神經(jīng)元將這一信息傳遞到嗅球，嗅球?qū)ζ溥M(jìn)行解讀，從而產(chǎn)生了嗅覺。它還會(huì)將這些信號(hào)進(jìn)一步傳遞至大腦的嗅覺皮層，其神經(jīng)機(jī)制將會(huì)決定氣味的質(zhì)量和濃度。
“看”到嗅覺：這張圖片顯示了一只嚙齒動(dòng)物在聞到戊酸甲酯時(shí)的大腦活動(dòng)。這種油性液體散發(fā)出一種果香，常用于香水。大腦神經(jīng)元內(nèi)含有螢光蛋白，被氣味激活時(shí)就會(huì)改變顏色，深紅色對(duì)應(yīng)更強(qiáng)的神經(jīng)元活動(dòng)?！搱D由紐約大學(xué)神經(jīng)科學(xué)研究所林伯格實(shí)驗(yàn)室的中山博史（音，Hirofumi Nakayama）博士提供。
一些分子只與某些特定的受體結(jié)合。正是由于這些特定組合，我們才能分辨玫瑰花香或狗糞的氣味。但這種看似簡(jiǎn)單的握手機(jī)制仍然迷霧重重。一些科學(xué)家支持“立體結(jié)合理論”，該理論認(rèn)為，不同氣味分子的特定受體，其立體結(jié)構(gòu)各不相同。其他人則支持 “振動(dòng)理論”，聲稱嗅覺受體探測(cè)分子的振動(dòng)頻率，并將其“翻譯”為氣味。庫(kù)拉科夫說：“立體結(jié)合理論認(rèn)為，嗅覺受體擁有特定形狀的結(jié)合口袋，一些氣味分子能與之結(jié)合，而其他分子可能在粘液中繼續(xù)尋找契合自身的受體?！?/p>
且不論哪種理論才是對(duì)的，深鼻的制造者目前面臨著巨大的挑戰(zhàn)?！氨亲印辈糠中枰瘜W(xué)傳感器，來(lái)模仿神經(jīng)元的結(jié)合作用。這些傳感器將與空氣中的氣味分子相互作用——不管是通過結(jié)合還是其他方法——探測(cè)它們的存在。隨后，傳感器將把電信號(hào)發(fā)送給深鼻的“大腦”，人工智能網(wǎng)絡(luò)會(huì)識(shí)別出探測(cè)到的分子。庫(kù)拉科夫設(shè)想感受器能像多層網(wǎng)絡(luò)一樣運(yùn)作，就像生物大腦內(nèi)神經(jīng)元對(duì)各種氣味分子有不同反應(yīng)一樣，以此來(lái)識(shí)別氣味分子內(nèi)不同的組成部分和化學(xué)基團(tuán)。
幸運(yùn)的是，研究人員可以看到這種神經(jīng)元活動(dòng)在活體大腦中是如何發(fā)生的。現(xiàn)代科技讓我們可以看到大腦內(nèi)部，觀察哪些嗅覺受體對(duì)哪些氣味產(chǎn)生反應(yīng)而被激活。由于這需要進(jìn)行腦部手術(shù)和基因改造，人體實(shí)驗(yàn)自然不太現(xiàn)實(shí)，而大鼠、小鼠這時(shí)就幫了大忙。這便是林伯格實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行的項(xiàng)目。他們讓轉(zhuǎn)基因鼠的嗅覺神經(jīng)元帶有熒光蛋白，當(dāng)小鼠對(duì)某種氣味作出反應(yīng)時(shí)，熒光蛋白就會(huì)發(fā)亮。借助植入熒光蛋白，他們可以穿過大鼠頭骨觀察到這一過程。林伯格解釋說：“我們對(duì)小鼠進(jìn)行基因編碼，使它們大腦的嗅球在出生時(shí)就帶有熒光蛋白，這樣就可以看到嗅覺神經(jīng)元是如何活動(dòng)。例如，玫瑰香味會(huì)激發(fā)27、72和112號(hào)受體，而狗糞會(huì)激發(fā)另一種受體組合。但誰(shuí)知道呢？ 我們也可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，玫瑰激活的嗅覺受體實(shí)際上和糞便一模一樣！”
當(dāng)小鼠聞到玫瑰、大便、咖啡或是被淋濕的狗狗等各種氣味時(shí)，不同的嗅覺受體會(huì)對(duì)此產(chǎn)生反應(yīng)而被激活。科學(xué)家們可以通過系統(tǒng)地收集這些神經(jīng)元激活模式來(lái)積累不同的受體組合代碼。類似地，小鼠嗅球內(nèi)的熒光蛋白當(dāng)神經(jīng)元對(duì)特定的氣味分子產(chǎn)生反應(yīng)時(shí)，這些特定組合就會(huì)激活，比如人類在健康或疾病狀態(tài)下產(chǎn)生的不同代謝物。
庫(kù)拉科夫認(rèn)為，疾病可能會(huì)像雞尾酒一樣通過混合多種易揮發(fā)性分子而表現(xiàn)出來(lái)，因此嚙齒動(dòng)物的能力將特別有幫助。它們嗅覺受體的數(shù)量是我們的三倍，能聞到更多的混合物，可以幫助訓(xùn)練深鼻聞到從人們身上散發(fā)但自己無(wú)法察覺的各種氣味。類似于大小鼠通過訓(xùn)練可以檢測(cè)我們的結(jié)核病，它們也可以被訓(xùn)練聞出我們的腫瘤，然后研究人員便能夠繪制出它們大腦中對(duì)不同癌癥氣味產(chǎn)生反應(yīng)的確切神經(jīng)元。庫(kù)拉科夫說：“一旦我們收集了信息，了解到鼠腦中哪些神經(jīng)元會(huì)被何種氣味激活，我們就可以利用這些數(shù)據(jù)去訓(xùn)練深鼻。這對(duì)繪制'嗅覺圖譜’（olfactome）來(lái)說至關(guān)重要?！?/p>
科學(xué)仍然還要幾十年才能實(shí)現(xiàn)電子嗅覺診斷。然而庫(kù)拉科夫預(yù)計(jì)，有了神經(jīng)元能對(duì)特定氣味發(fā)光的小型嚙齒動(dòng)物軍團(tuán)，或許在10年內(nèi)就可以應(yīng)用于疾病檢測(cè)，因?yàn)橛^察它們多彩的神經(jīng)元反應(yīng)所需的技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)。但模仿神經(jīng)元與氣味分子結(jié)合所需的技術(shù)，也就是檢測(cè)人類代謝物的化學(xué)傳感器，仍然有待發(fā)明。只要完成了這一點(diǎn)，建立一個(gè)電子鼻來(lái)嗅探健康問題將變得非常容易。庫(kù)拉科夫說：“或許演化并未讓我們學(xué)會(huì)（用嗅覺）診斷疾病，卻使得我們有能力設(shè)計(jì)出程序來(lái)做到這一點(diǎn) 。”
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