Усилия по созданию лучшего цифрового «носа» предполагают, что человеческое восприятие запахов отражает как структуру ароматических молекул, так и метаболические процессы, которые их создают.
Алекс Вильчко начал коллекционировать
духи ещё подростком. Его первым флаконом был Azzaro Pour Homme, неподвластный времени одеколон, который он заметил на полке в магазине T.J. Maxx. Он узнал это название из книги «Парфюмеры: Путеводитель», поэтические описания ароматов, которые положили начало его одержимости. Очарованный, он копил деньги, чтобы пополнить свою коллекцию. «
В итоге я попал в кроличью нору», — сказал он.
Совсем недавно, в качестве обонятельного нейробиолога в группе исследований мозга Google Research, Вильчко использовал машинное обучение, чтобы проанализировать наши самые древние и наименее понятные чувства. Иногда он смотрел почти с тоской на своих коллег, изучающих другие чувства. «У них есть эти прекрасные интеллектуальные структуры, эти соборы знаний, которые объясняют визуальный и слуховой мир, стыдя то, что мы знаем об обонянии», говорит он. Однако недавняя работа Вильчко и его коллег помогает это изменить.
В статье, впервые опубликованной на сервере препринтов biorxiv.org в июле, они описали использование машинного обучения для решения давней проблемы в обонятельной науке. Их результаты значительно улучшили способность исследователей вычислять запах молекулы по её структуре.
Более того, то, как они улучшили эти расчёты, позволило по-новому взглянуть на то, как работает человеческое обоняние, выявив скрытый порядок в том, как восприятие запахов соответствует химическому составу живого мира.
При вдыхании запаха утреннего кофе, 800 различных типов молекул перемещаются к обонятельным рецепторам. Из сложности этого богатого химического портрета мозг синтезирует общее восприятие: кофе. Однако, исследователям оказалось чрезвычайно сложно предсказать, как даже одна молекула будет пахнуть для нас, людей. В нашем носу находится 400 различных рецепторов для определения химического состава окружающего мира, и люди только начинают понимать, сколько из этих рецепторов могут взаимодействовать с данной молекулой. Но даже с этим знанием неясно, как комбинации запахов сопоставляются с восприятием ароматов как сладких, мускусных, отвратительных и т. д.
«Не было чёткой модели, которая дала бы вам предсказание того, как пахнет большинство молекул», — соощает Пабло Мейер, изучающий биомедицинскую аналитику и моделирование обоняния в IBM Research и не участвовавший в недавнем исследовании. Мейер решил сделать известную проблему соединения структуры и запаха в центре внимания конкурса IBM DREAM 2015 года, соревнования по вычислительному краудсорсингу. Команды соревновались в построении моделей, которые могли бы предсказать запах молекулы по её структуре. Но даже самые лучшие модели не могли объяснить всего.
Фото: foodbay.com
В данных были разбросаны надоедливые, нерегулярные случаи, которые нельзя было предсказать. Иногда небольшие изменения в химической структуре молекулы давали совершенно новый запах. В других случаях серьёзные структурные изменения практически не изменяли запах.
Метаболическая организация запахов
Чтобы попытаться объяснить эти необычные случаи, Вильчко и его команда рассмотрели требования, которые эволюция могла наложить на наши органы чувств. Каждое чувство на протяжении миллионов лет настраивалось таким образом, чтобы обнаруживать наиболее заметный диапазон раздражителей. Для человеческого зрения и слуха это свет с длиной волны от 400 до 700 нанометров и звуковые волны от 20 до 20 000 герц. Но что управляет химическим миром, воспринимаемым нашим носом?
«Единственная вещь, которая остаётся неизменной на протяжении всей эволюции, по крайней мере, очень давно, — это основной метаболический двигатель внутри каждого живого существа», — говорит Вильчко, который недавно ушёл из Google Research, чтобы стать постоянным предпринимателем в Alphabet, дочерней компания венчурного капитала, GV.
Метаболизм относится к набору химических реакций, включая цикл Кребса, гликолиз, цикл мочевины и многие другие процессы, которые катализируются клеточными ферментами и превращают одну молекулу в другую в клетках. Эти хорошо зарекомендовавшие себя пути реакций определяют карту взаимосвязей между встречающимися в природе химическими веществами, которые доносятся до нас через нос. Гипотеза Вильчко была проста: возможно, химические вещества с похожим запахом связаны не только химически, но и биологически. Чтобы проверить идею, его команде понадобилась карта метаболических реакций, происходящих в природе.
Фото: foodbay.com
К счастью, учёные в области метаболомики уже создали большую базу данных, описывающую эти естественные химические отношения и ферменты, которые их вызывают. С помощью этих данных исследователи могли выбрать две пахучие молекулы и рассчитать, сколько ферментативных реакций потребуется, чтобы преобразовать одну в другую. Для сравнения им также понадобилась компьютерная модель, которая могла бы количественно определить, как различные пахучие молекулы пахнут для человека.
С этой целью команда Вильчко усовершенствовала модель нейронной сети, называемую основной картой запаха, основанную на результатах конкурса DREAM 2015 года.
Эта карта похожа на облако из 5000 точек, каждая из которых представляет запах одной молекулы. Точки для молекул с похожим запахом сгруппированы вместе, а для молекул с совершенно разными запахами — далеко друг от друга. Поскольку облако — это гораздо больше, чем трёхмерное пространство — оно содержит 256 измерений информации, — только передовые вычислительные инструменты могут справиться с его структурой.
Исследователи искали соответствующие отношения в двух источниках данных. Они отобрали 50 пар молекул и обнаружили, что химические вещества, расположенные ближе на карте метаболизма, имеют тенденцию быть ближе и на карте запахов, даже если они имеют очень разные структуры. Вильчко был поражён этой корреляцией. По его словам, предсказания всё ещё не были идеальными, но они были лучше, чем любая предыдущая модель, полученная только с помощью химической структуры. «Этого вообще не должно было случиться, — сказал он. «Две молекулы, которые биологически похожи, как один шаг ферментативного катализа, они могут пахнуть розами и тухлыми яйцами». Но они этого не сделали.
Исследователи также обнаружили, что молекулы, которые обычно встречаются в природе вместе — например, различные химические компоненты апельсина — пахнут более похоже, чем молекулы без естественной ассоциации.
Химически настроенные на природу
Результаты «интуитивны и элегантны», — говорит Роберт Датта, нейробиолог из Гарвардской медицинской школы и бывший научный руководитель Вильчко, который не участвовал в недавнем исследовании. «Это похоже на то, что обонятельная система устроена так, чтобы обнаруживать различные химические совпадения», — сообщает он. «Таким образом, метаболизм управляет возможными совпадениями». Это указывает на то, что есть ещё одна особенность, помимо химической структуры молекулы, которая имеет значение для нашего носа, — метаболический процесс, который произвёл молекулу в естественном мире. «Обонятельная система настроена на ту вселенную, которую она видит, а именно на эти молекулярные структуры. И то, как эти молекулы сделаны, является частью этого», — говорит Мейер. Он высоко оценил остроумие идеи использования метаболизма для уточнения категоризации запахов.
Фото: quantamagazine.org
Хотя карта, основанная на метаболизме, не сильно улучшает структурные модели, поскольку метаболическое происхождение молекулы уже тесно связано с её структурой, «она даёт некоторую дополнительную информацию». Мейер предсказывает, что следующий рубеж обонятельной нейробиологии будет связан с запахами смесей, а не с отдельными молекулами. В реальной жизни человек очень редко вдыхает только одно химическое вещество за раз; если подумать о сотнях ароматах, доносящихся из кофейной кружки.
В настоящее время у учёных недостаточно данных о смесях пахучих веществ, чтобы построить модель, подобную модели для чистых химических веществ, использованной в недавнем исследовании. Чтобы по-настоящему понять обоняние человека, необхоимо изучить, как совокупность химических веществ взаимодействует, образуя сложные запахи, подобные запахам во флаконах духов Вильчко. Этот проект уже изменил представление Вильчко о своей давней страсти.
Когда люди ощущают запах, «вы воспринимаете части другого живого существа», — говорит он. «Я просто думаю, что это действительно красиво. Так я чувствую себя более тесно связанным с самой жизнью».