У онкологических заболеваний есть запах, и ученые хотят, чтобы смартфоны ‘вынюхивали’ рак

В каждом доме и кармане есть электроника, которая слышит, видит и чувствует наше прикосновение. Ваш смартфон, вероятно, способен на все три качества. Чего не хватает? Технологии, которая способна пахнуть. Но это может измениться, как подробно описано в эпизоде Unexplainable, еженедельного подкаста Vox, исследующего неотвеченные вопросы в науке.

Технология производства смартфонов, которые пахнут, приближается к реальности, говорит Андреас Мершин, исследователь и изобретатель из Массачусетского технологического института. «Я думаю, что нам, возможно, осталось пять лет, может быть, чуть меньше, – считает он, – чтобы получить его оттуда, где он сейчас, чтобы полностью войти в телефон. И я говорю [о его развертывании] в сотню миллионов телефонов».

Идея не в том, чтобы иметь Siri, который скажет, когда вам нужен душ (хотя это может быть полезно для некоторых людей). Существует более масштабная миссия общественного здравоохранения: воспроизвести невероятные возможности обнаружения болезней собак в более портативной, доступной форме, чтобы помочь выявить коварные болезни на ранней стадии.

Робот по прототипу носа собаки

Собаки могут чувствовать рак, болезнь Паркинсона, малярию и другие состояния, которые вызывают изменения запаха человеческого тела. Есть даже опубликованные исследования о способности собак чувствовать запах COVID-19.

Ученые могли бы дрессировать все больше и больше собак, чтобы помочь в обнаружении заболеваний, и развернуть их по всему миру. Но такая подготовка является дорогостоящей, трудной и займет много времени. К тому же не всем нравятся собаки, и не всем понравилось бы, если бы собака нюхала их перед баскетболом или во время визита к врачу.

По теме: У каждого десятого американца диабет: что это за заболевание и как его предотвратить

По сути, надежда для ученых — сконструировать нос-робот, чтобы он обнаруживал заболевания, как нос собаки может. Это тема сегодняшнего эпизода Unexplainable, который также является третьим эпизодом в серии, исследующей неизвестное о наших чувствах. (Примечание: версия этого эпизода изначально вышла в 2021 году.)

Одна из тонкостей, которая настолько интригует в носах-роботах, что исследователи смогли далеко продвинуться в этом, хотя еще не до конца понятно, как функционируют биологические носы. Это главная тайна эпизода этой недели Unexplainable: как ученые могут построить нос-робот, если они не понимают, как работает обоняние?

Челлендж носа-робота –6&&& объяснение

Ученым известно много основ механики обоняния. Они знают, что глубоко в наших носах есть специальные рецепторы, взаимодействующие с молекулами запаха, которые мы вдыхаем. И они знают, что эти рецепторы посылают сигналы в мозг.

Чего они не знают, так это почему все пахнет так, как пахнет. То есть, почему одна молекула запаха пахнет по-разному, в то время как другая молекула запаха аналогичной формы пахнет по-разному? Это пока еще загадка. (Например, при зрении существует лишь несколько типов рецепторов, и способ их взаимодействия хорошо понятен. С запахом, есть 400 типов, и мы только начали понимать, как они работают вместе, чтобы обнаружить его).

Впервые Мершин попытался построить нос робота в 2007 году, когда DARPA, агентство исследований и разработок Департамента обороны США, объявило о вызове. Он хотел посмотреть, сможет ли кто-то построить робот-нос, способный обнаружить определенные молекулы. DARPA не обнародовала точный список, но, основываясь на этом списке, Мершин подозревает, что молекулы имеют отношение к пахнущим бомбам, наркотикам или мертвым телам.

Так как построить нос-робот? Мершин, его коллега из Массачусетского технологического института Шугуан Чжан и их команда сначала подумали: чтобы им такое построить, что могло бы непосредственно обнаружить молекулы запаха — что-то вроде улучшенного детектора углекислого газа. Когда какая-либо пахучая молекула попадает в детектор, подобно тому, как когда газ окиси углерода попадает в детектор CO, срабатывает аварийный сигнал.

Они использовали настоящие рецепторы запаха, которые выращивали в клетках. И они распространили рецепторы по печатной плате. (Все сенсорные рецепторы существуют для преобразования внешнего мира в электрические сигналы, которые наш мозг может понять. В этом случае сигналы будут передаваться в схему).

Была надежда, что рецепторы дадут показания всех молекул запаха поблизости. Но потом команда поняла, что там было так много молекул, которые ей нужно было обнаружить, так много запахов, что сигнализация срабатывала слишком часто. Поэтому команда решила не строить эту машину.

Nano-Nose

Для их следующей попытки, которую они назвали Nano-Nose, Мершин и Чжан попробовали что-то другое.

В то время как их предыдущая версия должна была обнаружить отдельные молекулы, эта представила более широкую картину — общий запах. (Запах — это не просто комбинация молекул; это особый способ взаимодействия этих молекул со сложной серией рецепторов в носу. До сих пор остается загадкой, как все это соединяется.

Nano-Nose записал картину электрической активности, произведенную рецепторами в присутствии запаха. Показания были похожи на биржевой тикер. Каждый запах, как обнаружил Мершин, создавал определенную закономерность, которую компьютер (т.е. мозг) мог распознать.

По существу, Мершин использовал машинное обучение (форму искусственного интеллекта), чтобы позволить Nano-Nose выяснить свой собственный способ распознать запахи. Интересно, что именно так дрессируют собак, нюхающих болезни. Мершин настроил Nano-Nose на то, что ему нужно было распознать для испытания, и после этого позволил Nano-Nose научить себя распознавать запахи.

В конечном счете, он показал, что Nano-Nose может обнаружить запахи используя реальные рецепторы и сделать это довольно чувствительно. Но тест DARPA был в чрезвычайно контролируемой среде, а это может быть причиной того, что DARPA прекратила программу через несколько лет. Реальный мир гораздо сложнее.

По теме: Ученые нашли эффективное лекарство от мигрени, и вы можете организовать терапию у себя дома

Мершин продолжает свое исследование пробуя подготовить Nano-Nose для повседневных применений. И если предыдущие итерации были размером с рабочий стол, то теперь Мершин говорит, что он сократил технологию, чтобы она могла поместиться внутри смартфона.

Носы в наших телефонах могут помочь спасти жизни

Мершину все еще нужно тренировать Nano-Nose больше, прежде чем он может фактически почувствовать запахи заболеваний в повседневных ситуациях. В реальном мире вокруг существуют бесчисленные запахи, что очень отличается от чистой, контролируемой среды теста DARPA. Чтобы преодолеть это препятствие, Мершину нужно подвергнуть рецепторы гораздо большему числу запахов, чтобы улучшить алгоритм. Но основное доказательство концепции здесь, и телефоны, которые пахнут, могут быть недалеко.

Предоставление телефонам нового способа мониторинга нашего поведения связано с некоторыми явными проблемами. Будут ли данные, “унюханные” телефоном, конфиденциальными? Может ли нос робота быть взломан или доступен рекламодателям? Это вопросы, которые мы уже задаем о способности наших телефонов видеть и слышать нас, часто с неудовлетворительными ответами.

Последствия для конфиденциальности могут вызывать беспокойство, но преимущество кажется очевидным: нос-робот карманного размера способен помочь спасти жизни. «У любого из нас может быть опухоль, которая станет злокачественной», — говорит Мершин. — Если откладывать полгода, то иногда это становится смертным приговором». Но если ваш телефон заметит изменение запаха, он может предупредить вас раньше.

Клэр Гест — ученая, обучающая собак выявлять болезни, — говорит, что она воспринимает этот спасательный потенциал лично. Спустя годы, после того как она начала свои исследования, ее собака Дейзи стала выглядеть расстроенной. Собака постоянно «пялилась» на Гест и толкала ее куда-то. Она почувствовала, куда Дейзи толкается, и нашла ком. В конце концов ей поставили диагноз «рак молочной железы», и вполне возможно, что Дейзи спасла своей хозяйке жизнь.

Не у всех есть доступ к таким собакам, как у Гест. Но почти у всех есть смартфон. Прямо сейчас наши телефоны не чувствуют запах рака. Но однажды они могут спасти жизнь.