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Science:重大突破!利用人工智能鼻子預測分子的氣味

日期:2017-02-22 08:56:59

 在你看到一種顏色之前,你能夠僅根據光的波長預測它。音樂無需親耳聽見而能夠僅根據樂譜上的音符加以理解。但是氣味不是這樣的。辨別一種東西聞起來像是玫瑰味、松脂味、汽油味還是海風般清新的唯一方法是聞它。

 

一項新的研究讓我們的最為神秘的嗅覺變得更加可預測一些。由美國洛克菲勒大學的研究人員啟動的一個項目利用眾包策略設計出一種數學模型,這種模型能夠預測一種分子產生的氣味。相關研究結果于2017220日在線發(fā)表在Science期刊上,論文標題為“Predicting human olfactory perception from chemical features of odor molecules”。

 

論文共同作者、洛克菲勒大學神經遺傳學與行為實驗室主任Leslie Vosshall教授說,“這是一個持續(xù)了幾個世紀的問題。人們試圖利用多種不同的方法解決它,正如當售貨員問‘你喜歡花香味的東西嗎?’或‘你喜歡麝香味的東西嗎?’時,你在百貨商店的香水廳里看到的那樣。”

 

她補充道,“我們并沒有完全解決這個如何根據分子的化學性質預測它的氣味的問題,但是這是給出一種解釋的目標上走得最遠的。”

 

好氣味,壞氣味和無味

 

在這項新的研究中,Vosshall研究了人類和昆蟲的氣味感知(odor perception)。作為這項研究的一部分,她和來自她的實驗室的研究員Andreas Keller著手探究分子和它們產生的氣味之間存在的關聯。

 

為了獲得他們需要的數據,他們要求49名志愿者聞一聞一組精心挑選的分子,每種分子裝在一個小瓶子里。可能存在的氣味數量幾乎是無止境的---盡管人類感知光線和聲音的限制是大家熟知的,但是還沒有為氣味建立這樣的邊界。因此,在探究我們的嗅覺的全部范圍的努力中,Keller收集了476種不同的分子,它們中的很多分子之前從沒有在嗅覺研究中接受過測試。

 

他挑選了熟悉的芳香氣味,如香草醛的甜美溫和氣息,以及甲硫基丁酸的臭氣。甲硫基丁酸是一種令人厭惡的分子。他也挑選了嗅聞者不能夠識別的分子,如2-異丙基苯酚(2-isopropylphenol),甚至那些被認為是無味的分子,如水和甘油。這49名志愿者給每種分子進行評分,評分的依據是他們發(fā)現它的氣味如何強烈,發(fā)現它的氣味如何令人愉悅,以及它多大程度上產生大蒜味、花香、尿騷味和16種其他的氣味屬性。

 

總之,這項研究產生100萬多個數據點。這些研究人員隨后尋求將這些氣味感知信息與200萬多個描述這些氣味分子化學特征(如它們含有的硫原子數量)的額外數據點相關聯在一起。它利用眾人的智慧解決這個問題。

 

眾人的智慧

 

來自全世界的研究機構和公司的22個精通計算的志愿者團隊參加DREAM嗅覺預測挑戰(zhàn)(DREAM Olfaction Prediction Challenge)。這種DREAM挑戰(zhàn)是由美國IBM公司托馬斯-沃森研究中心主任Pablo Meyer組織的。利用VosshallKeller的氣味評分,即迄今為止收集到的最大的數據集之一,這些團隊設計出能夠“學著”依據一種分子的化學特征預測它的氣味屬性的算法。

 

最好的解決方法并沒有出現在任何單個模型中。為了利用眾人的智慧,DREAM挑戰(zhàn)通常將每個人提交的模型合并到一個綜合模型(aggregate model)中。這個綜合模型經常要比任何單個模型更加強大。

 

Meyer說,“DREAM挑戰(zhàn)要比正常的研究項目更像是聚會中棒打彩飾陶罐(hit a piñata)。每個人揮擺棒子,即便你的算法(好比棒子)不能打破這個彩飾陶罐,但是你仍然為找到解決方法作出貢獻。利用這種方法、一組健壯的數據和一些運氣,我們能夠破解這個特別困難的問題。”

 

填補空白

 

DREAM挑戰(zhàn)結束時,這些研究人員利用他們擁有的對69種分子的評分測試了這種綜合模型的性能。將氣味屬性與分子匹配在一起的完美分數是1.0;這種綜合模型得分為0.83,顯著好于之前為解決這個問題作出的任何嘗試。

 

這種綜合模型能夠最容易預測的氣味是大蒜味和魚腥味,這很可能是因為當對氣味進行評分時,這些嗅聞者對如何使用它們達成共識。Vosshall說,其他的屬性,如寒性或酸性,更是充滿挑戰(zhàn)性,這很可能是因為這些屬性對氣味意味著什么并沒有取得多大的共識。

 

盡管這種氣味預測模型迄今為止并不完美,但是它為尋找高效地配制玫瑰香味等氣味的方法的香水化學家開辟了新的可能性。它也為氣味感知的非常復雜的生物學特征提供新的認識。沒有人充分地理解當氣味分子飄進鼻子,轉化為傳送到大腦中的電信號時,到底發(fā)生了什么。

 

Vosshall說,“一旦你能夠將分子化學結構輸入與它的氣味輸出關聯在一起,你就能夠開始確定在這種轉化期間,可能發(fā)生了什么。這種模型是朝這個目標上邁出的一個重要的初始步驟。”

 


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