我T的2050，你是你的每月体检。时间发生了变化，所以你不再需要营造孔的检查，静脉中的针，以及等待你的血液测试结果的一周。相反，护士欢迎你，“医生现在会嗅到你，”并带你进入一个充满电脑的密封分子。当你休息时，你呼气或从你的身体和皮肤发出的挥发性分子慢慢地漂移到复杂的人工智能仪器中，以俗称深鼻子。在现场后面，深鼻子的巨大电子大脑开始通过分子进行嘎吱作响，将它们与其巨大的嗅觉数据库进行比较。一旦它有没有生命，AI就会将你的气味与导致它们的医疗条件相匹配并产生健康的打印输出。您的人类医生与您一起使用结果并计划治疗或调整您的药物。
这就是阿列克谢·库拉科夫的研究冷泉港实验室研究人类嗅觉系统如何工作的他展望了我们医疗保健的一个可能的未来。作为一名由物理学家转行的神经科学家，库拉科夫正在研究人类是如何感知气味的，并根据它们的“可闻性”对数百万个挥发性分子进行分类。他计划将现有的气味编入一个全面的人工智能网络。一旦建成，深鼻将能够识别人的气味或任何其他感兴趣的嗅觉气味——出于医学或其他原因。库拉科夫说:“这将是一个可以诊断或识别你的芯片。”气味可以唯一地识别一个人或商品，所以“深鼻子”还可以帮助边境巡逻，嗅出旅行者、货物或爆炸物。“在机场，你只需要展示你自己，而不是出示护照。”医生的拜访也会变得轻而易举。
W一个人的气味能说明他的健康状况吗?显然,很多。“可以从空气分子中获取的信息非常丰富，”德米特里·林伯格说，他也是一位前物理学家，现在是纽约大学的神经生物学家，与库拉科夫合作进行嗅觉研究。“它的信息量很大，你甚至可以看出昨晚人们在酒吧喝了什么啤酒。”他补充说，气味可以揭示身体发生的其他事情。“所以我们正试图将这些信息用于基于气味的诊断方法。”
最近的研究发现，许多疾病，包括癌症、肺结核和帕金森氏症，都可以通过改变人的气味的挥发性化合物表现出来。我们的身体释放某些代谢物——新陈代谢活动的产物。其中一些分子是挥发物，成为我们气味的一部分，或称“气味印”。当我们生病或开始患病时，我们的代谢过程开始以不同的方式运作，释放出不同的挥发性分子或它们的混合物，所以我们的气味也会发生变化。“这些分子携带着关于我们健康状况的信息，”Koulakov说。例如，帕金森氏症患者会产生异常大量的皮脂，1由皮肤的皮脂腺分泌的一种富含脂质的蜡状生物液体，敏感的鼻子可以检测到。"深鼻子"可以从稀薄的空气中获取信息。这可以让医生更快、更容易地发现疾病，或许还可以避免一些侵入性诊断程序。Koulakov说:“这将从根本上改变诊断系统。”
深鼻子与导致它们的医疗条件相匹配。
希波克拉底、盖勒努斯、阿维森纳和其他古代医生都把鼻子用作诊断工具。带有难闻气味的伤口可能意味着感染了。口臭是一系列疾病的信号。然而，今天的医生不再嗅他们的病人了，因为人类的嗅觉通常很臭。事实上，我们比我们的祖先更坏。我们的灵长类祖先拥有大约850种嗅觉受体类型，但我们只保留了350种功能良好的嗅觉受体，它们的不同组合使我们能够闻到数量惊人的气味。(其余的根本不起作用。“他们是我们昔日辉煌的残余，”库拉科夫打趣道。)与此同时，狗大约有850种受体，老鼠大约有1100或1200种，所以它们能够识别更多种类的气味——包括那些由我们身体机能失常产生的气味。
科学家们现在利用动物的嗅觉财富来诊断疾病——一些成功的案例和同行评审的研究。最近，来自几个研究机构的一组科学家展示了他们训练三只比格犬嗅出病人血液样本并检测出病人体内肺癌细胞的结果，准确率高达97%。2发表的一项研究英国医学杂志他说，狗能够通过闻粪便来检测出大肠癌。3.另一篇论文中BMC癌症描述了嗅出卵巢癌的狗4非洲大袋鼠被训练成为撒哈拉以南非洲地区的“结核病诊断专家”，嗅取病人的痰样本。显微镜的检测精度在20%到80%之间。老鼠的鼻子帮助提高了高达44%的检测能力。5
但是动物诊断专家也有他们的问题。首先，它们必须被训练，而训练大量寿命不长的动物是昂贵的、耗时的，而且有些徒劳。而且，每次你想要在他们的分析库中加入另一种疾病气味，你就得重新训练他们所有人。“使用动物进行实际诊断非常有限，”Rinberg说。
这使科学家们要思考电子鼻子的可能性。构建一个人工嗅探器设备将在几年后不会死亡的人工嗅探器，标准软件可以定期更新所有电路板。这就是koulakov的环境如何设想深鼻子 - 一种可以用作鼻子的电子嗅觉ai，它可以拾起气味，作为解释它们的大脑。当然，这并不容易壮举。深鼻子在人类大脑的神经机械后模仿，但科学家们尚未弄清楚人类脑如何识别另一个气味。
B从意识形态上讲，嗅觉的行为比我们的视觉能力更复杂，更难以理解。识别一种气味是一个精确而复杂的过程，在这个过程中，化学、生物学和物理学必须共同演奏出同步的协奏曲——无论你是在品味玫瑰的芳香还是在一堆狗屎上捏你的鼻子。
在你的鼻腔内，数百万嗅神经元正在等待下一个臭味的分子飞入。这些神经元具有称为纤毛的微观指状突起，其浮在覆盖鼻上皮表面的粘液中。神经元的其他端部，称为轴突，向上伸展，通过头骨内的特殊通道一直到大脑，导致嗅灯泡的区域，以洋葱状形状命名。当分子飞入我们的鼻子时，它们与纤毛结合，并且神经元向嗅灯泡发送此信息，解释它，导致我们对嗅觉的感觉。它还将这些信号传递给嗅觉皮层，其神经机械将确定气味的质量和浓度。
一些分子与某些受体结合，而与另一些不结合。根据分子锁定的特定受体组合，我们会闻到玫瑰或狗屎的味道。但即使是看似简单的分子握手也仍然是一个谜。一些科学家相信“空间结合理论”，该理论认为分子与受体不同的物理形状相匹配。另一些人支持“振动理论”，该理论声称嗅觉感受器探测到分子的振动频率并将其“转化”为气味。库拉科夫说:“立体理论表明，黏液中有一个特定形状的捆绑袋，一些分子可以放在那里，而另一些分子可能会在黏液中游走。”
无论哪种理论被证明是正确的，深鼻的建造者仍然面临着巨大的挑战。鼻子部分将模仿神经元结合的动作，需要化学传感器。这些传感器将与飞行的分子相互作用——无论是通过结合还是通过不同的方法——并检测它们的存在。然后传感器将发送电信号到电子大脑——深鼻网络，它将解释探测到的分子。Koulakov设想它是一个多层网络，能够识别分子的不同部分和其中不同的化学基团，就像不同的神经元对生物大脑中不同分子的存在做出反应一样。
狗已经教授嗅觉癌症，大鼠被教导为“结核病诊断人员”。
幸运的是，研究人员可以看到这种神经元活动是如何在活体大脑中发生的。现代科技可以让人们窥视大脑内部，看看哪些嗅觉受体会对哪些气味做出反应。这需要大脑手术和基因操作，所以这在人身上是不可能做到的，但老鼠和老鼠可以帮助。这就是林伯格实验室的用武之地。他的团队使用了转基因老鼠，这些老鼠的嗅觉神经元被荧光蛋白染色，当它们对气味做出反应时，荧光蛋白就会发光。研究小组可以通过植入啮齿动物头骨的窗户观察这一过程。“我们对老鼠进行基因编码，使它们出生时大脑的嗅球中就有荧光蛋白，我们可以看到嗅觉神经元是如何发光的，”Rinberg解释道。“例如，它可以让我们看到一朵玫瑰会刺激编号为27、72和112的受体，而狗粪会刺激不同的受体子集。但谁知道呢，我们可能也会发现玫瑰和便便确实激活了一些普通的受体!”
系统地收集这些神经元的激活模式，可以让科学家了解受体的组合密码，这些受体会对从玫瑰到便便，从咖啡到湿狗的气味以及嗅觉系统中的所有其他东西做出反应。相似的是，特定的神经元组合会对特定的分子做出反应，包括我们在健康和疾病中产生的代谢物。
疾病很可能通过多种挥发性分子的存在而显现出来——库拉科夫认为，这是多种挥发性分子的混合物，因此啮齿动物的能力在这方面将特别有用。它们高超的嗅觉感受器数量是人类的三倍，这让它们能闻出比人类更多的混合气味，所以它们可以帮助“深鼻子”训练我们发出但我们自己无法察觉的各种气味。就像老鼠被训练来检测我们的结核病一样，它们也可以被训练来嗅我们的肿瘤，而研究人员可以绘制出它们大脑中对不同癌症气味做出反应时激活的确切神经元。Koulakov说:“一旦我们收集了老鼠大脑中哪些神经元对什么气味做出反应的信息，我们就可以用这些数据训练‘深鼻子’。”“绘制这个‘嗅觉器官’地图很重要。”
科学仍然远离电子嗅觉诊断。然而，一群啮齿动物的啮齿动物具有神经元的神经元，以反应某些气味可以有助于检测大约10年的健康疾病，Koulakov估计。这是因为已经存在了观察其炫彩神经元响应所需的技术，但是尚未产生用于造成对飞行分子的神经元结合的技术 - 以检测我们代谢物的化学传感器 - 尚未产生。但是一旦完成了这一点，建立电子鼻子以嗅出健康问题就会相当简单。“我们的进化可能没有设计我们诊断疾病，”Koulakov说，“但我们可以设计一个可以这样做的软件。”
莉娜·泽尔多维奇(Lina Zeldovich)在一个俄罗斯科学家家庭长大，她睡前听的是关于火山、黑洞和勇敢探险家的故事。她曾为纽约时报，科学美国人，读者文摘，和奥杜邦杂志,在其他出版物中，他获得了四项关于便便科学的奖项。她的书,《其他暗物质:变废为宝的科学与商业》，将于2021年10月由芝加哥大学出版社出版。你可以在LinaZeldovich.com和@LinaZeldovich
冷泉港实验室对本文的支持。阅读更多鹦鹉螺渠道，生物学+之外．
参考文献
1.D.K Trivedi,et al。从皮脂中发现帕金森病的挥发性生物标志物。ACS中央科学5, 599 - 606(2019)。
2.,琼奇拉H。et al。血液血清肺癌犬气味探测的准确性。美国实验生物学协会联合会33635.10(2019)。
3.Sonoda、H。et al。犬嗅检测用气味材料筛选大肠癌。肠道60., 814 - 819(2011)。
4.卵巢癌患者血液中的癌症气味:狗在治疗期间、3个月和6个月后检测的回顾性研究。BMC癌症13396(2013)。
5.G.F Mgode,et al。经训练的非洲巨袋鼠结核病诊断及呼吸道病原体和微生物群的混杂影响。临床微生物学杂志50., 274 - 280(2011)。
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