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重大突破!利用人工智能鼻子预测分子的气味

转载 来源: 生物谷 2017/2/22 9:29:06

当你闻到一股闻到时,首先是又你的鼻子开始,传到你的脑神经再反馈给你。然而有没有可能不用通过闻来了解味道呢?

一项新的研究让我们的#!为神秘的嗅觉变得更加可预测一些。由美国洛克菲勒大学的研究人员启动的一个项目利用众包策略设计出一种数学模型,这种模型能够预测一种分子产生的气味。相关研究结果于2017年2月20日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Predicting human olfactory perception from chemical features of odor molecules”。

论文共同作者、洛克菲勒大学神经遗传学与行为实验室主任Leslie Vosshall教授说,“这是一个持续了几个世纪的问题。人们试图利用多种不同的方法解决它,正如当售货员问‘你喜欢花香味的东西吗?’或‘你喜欢麝香味的东西吗?’时,你在百货商店的香水厅里看到的那样。”

她补充道,“我们并没有完全解决这个如何根据分子的化学性质预测它的气味的问题,但是这是给出一种解释的目标上走得最远的。”

好气味,坏气味和无味

在这项新的研究中,Vosshall研究了人类和昆虫的气味感知(odor perception)。作为这项研究的一部分,她和来自她的实验室的研究员Andreas Keller着手探究分子和它们产生的气味之间存在的关联。

为了获得他们需要的数据,他们要求49名志愿者闻一闻一组精心挑选的分子,每种分子装在一个小瓶子里。可能存在的气味数量几乎是无止境的---尽管人类感知光线和声音的限制是大家熟知的,但是还没有为气味建立这样的边界。因此,在探究我们的嗅觉的全部范围的努力中,Keller收集了476种不同的分子,它们中的很多分子之前从没有在嗅觉研究中接受过测试。

他挑选了熟悉的芳香气味,如香草醛的甜美温和气息,以及甲硫基丁酸的臭气。甲硫基丁酸是一种令人厌恶的分子。他也挑选了嗅闻者不能够识别的分子,如2-异丙基苯酚(2-isopropylphenol),甚至那些被认为是无味的分子,如水和甘油。这49名志愿者给每种分子进行评分,评分的依据是他们发现它的气味如何强烈,发现它的气味如何令人愉悦,以及它多大程度上产生大蒜味、花香、尿骚味和16种其他的气味属性。

总之,这项研究产生100万多个数据点。这些研究人员随后寻求将这些气味感知信息与200万多个描述这些气味分子化学特征(如它们含有的硫原子数量)的额外数据点相关联在一起。它利用众人的智慧解决这个问题。

众人的智慧

来自全世界的研究机构和公司的22个精通计算的志愿者团队参加DREAM嗅觉预测挑战(DREAM Olfaction Prediction Challenge)。这种DREAM挑战是由美国IBM公司托马斯-沃森研究中心主任Pablo Meyer组织的。利用Vosshall和Keller的气味评分,即迄今为止收集到的#!大的数据集之一,这些团队设计出能够“学着”依据一种分子的化学特征预测它的气味属性的算法。

#!好的解决方法并没有出现在任何单个模型中。为了利用众人的智慧,DREAM挑战通常将每个人提交的模型合并到一个综合模型(aggregate model)中。这个综合模型经常要比任何单个模型更加强大。

Meyer说,“DREAM挑战要比正常的研究项目更像是聚会中棒打彩饰陶罐(hit a piñata)。每个人挥摆棒子,即便你的算法(好比棒子)不能打破这个彩饰陶罐,但是你仍然为找到解决方法作出贡献。利用这种方法、一组健壮的数据和一些运气,我们能够破解这个特别困难的问题。”

填补空白

在DREAM挑战结束时,这些研究人员利用他们拥有的对69种分子的评分测试了这种综合模型的性能。将气味属性与分子匹配在一起的完美分数是1.0;这种综合模型得分为0.83,显著好于之前为解决这个问题作出的任何尝试。

这种综合模型能够#!容易预测的气味是大蒜味和鱼腥味,这很可能是因为当对气味进行评分时,这些嗅闻者对如何使用它们达成共识。Vosshall说,其他的属性,如寒性或酸性,更是充满挑战性,这很可能是因为这些属性对气味意味着什么并没有取得多大的共识。

尽管这种气味预测模型迄今为止并不完美,但是它为寻找高效地配制玫瑰香味等气味的方法的香水化学家开辟了新的可能性。它也为气味感知的非常复杂的生物学特征提供新的认识。没有人充分地理解当气味分子飘进鼻子,转化为传送到大脑中的电信号时,到底发生了什么。

Vosshall说,“一旦你能够将分子化学结构输入与它的气味输出关联在一起,你就能够开始确定在这种转化期间,可能发生了什么。这种模型是朝这个目标上迈出的一个重要的初始步骤。”

(责编:叶圻 )

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相关问答
Q:萎缩性鼻炎导致嗅觉障碍的原因是什么?

你好,萎缩性鼻炎是有可能导致嗅觉减退或者丧失的,这是因为萎缩性鼻炎会引起鼻腔里面脓痂堆积,空气中的含气味分子不能到达嗅裂区,或者因为嗅裂区粘膜萎缩,无腺体分泌来溶解到达嗅裂区的含气味分子以刺激嗅神经,或者因为嗅神经发生萎缩而导致嗅觉减退或丧失。

Q:鼻子通气,也没有鼻涕,但是就是闻不到气味怎么办?

嗅觉神经是一种交感神经,嗅觉神经穿过筛板到嗅球。嗅觉能力是鼻粘膜中嗅觉细胞的特征。鼻粘膜、嗅球、嗅丝或中枢系统连接的损伤会影响嗅觉。因此,气味降低或消退的原因有很多。总结如下:1。鼻黏膜充血水肿,导致鼻孔通气障碍,有气味的气旋不能进入嗅觉区域,不能产生刺激,导致嗅觉失效。2、鼻粘膜内有炎症,并涌向嗅觉区域,导致嗅觉细胞功能受损,嗅觉失效。3、鼻粘膜本身发生委缩,导致相连的嗅神经也委缩,导致嗅觉降低或失效。4、有些病毒进入鼻腔,可能会对嗅觉周围神经造成危害,导致嗅觉失灵。

Q:嗅觉失灵怎么治疗,我鼻子闻不到气味,请问

你好,嗅觉失灵主要有三种原因。一是鼻息肉等使气味流通不到嗅区粘膜;二是嗅神经发炎,导致嗅觉丧失。三是接收气味咨讯的大脑神经有障碍,如大脑外伤、肿瘤、精神疾病等导致的无嗅觉。具体的治疗方法需视情况而定,建议你去医院作详细的检查。

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