多亏了蚊子“鼻子”的生物部分,我们终于离计算机嗅觉视觉更近了一步。以及一种诊断早期癌症的方法。

随着最近的爆炸计算硬件实力和人工智能在美国,我们已经能用机器充分复制我们的核心感官。计算机视觉和生物工程视网膜被用来增强人工视觉。智能假肢可以无缝模拟触摸、疼痛、压力和其他皮肤感觉。听力设备能够从浑浊的杂音中分离出特定的声音。

然而,我们缺少的是嗅觉。虽然人类在动物王国里几乎不是嗅觉大师,但我们仍然可以粗略地察觉一万亿年通常只有一个气味分子飘进我们的鼻子。尽管科学家们尽了最大努力,但要将这种威力转化为数字的、人工的计算机“鼻子”,他们还是遇到了难题。一个主要的问题是对我们的生物嗅觉机制——也就是我们的嗅觉系统——的敏感度进行逆向工程。

“气味是一种空气传播的化学信号,它可以携带有关环境的有用信息……然而,由于缺乏足够灵敏和选择性的传感器,这些信息不能很好地利用。”东京大学生物混合系统实验室的竹内正二博士。

但问题是:进化已经找到了解决办法。与其从头开始重建嗅觉,为什么不利用现有的嗅觉资源呢?

在一个新论文发表在科学的进步, Takeuchi和他的同事就是这么做的。他们轻敲黄热病蚊子(yikes)的嗅觉元件,然后用合成生物学重建整个结构。他们采用并行芯片设计,然后将这些生物元件以阵列的形式小心地放置在芯片上,并用计算机监控其设置。

通过将气味化学物质注入微小的液滴——就像精油和液体在加湿器中混合一样——芯片可以以前所未有的灵敏度检测气味。因为每个生物气味感应元件都是根据它们最喜欢的化学物质量身定制的,所以从理论上讲,使用一个16通道的芯片就可以探测超过一千万亿种混合气味。

“这些生物混合传感器……是高度敏感的,”Takeuchi说。他补充说,有了人工智能,这种生物混合传感器可以进一步升级,以分析环境中日益复杂的化学混合物,也可以作为疾病追踪的酒精分析仪来监测健康状况。

嗅觉的解剖学

动物的嗅觉系统是进化的艺术作品。虽然不同物种之间的生物结构不同,但总体概念是非常相似的。

一切都从鼻子开始。我们的鼻子上布满了密集的嗅觉细胞,在鼻腔的高处挤成一团。把这些细胞想象成脂肪泡,每个细胞都有电线在链上传递信息。气泡外边缘点缀着一种叫做嗅觉感受器的蛋白质。这些基本上是“智能”隧道,连接外部环境和细胞的内部避难所。

关键在于:每个通道或受体都是为特定的气味化学物质量身定制的。这是正常关闭。当一种气味——比如香草中的主要化学物质香草醛——飘进鼻腔时,它会抓住自己喜欢的受体。这个动作打开了受体通道,导致离子流入细胞。翻译吗?它会触发电流,一种“开启”的信号,并被发送到大脑。

现在用一些更复杂的气味,比如法式吐司。多个化学分子抓住各自的气味感受器。每个细胞都发出电流,当这些电流沿着神经高速公路奔向大脑时,就会被一起分析。根据之前的经验,大脑可以分析这些组合数据并判断出“哦,这是法式吐司!”

可以看出,组合是关键。这就是我们大约400个嗅觉感受器能够探测到一万亿种不同气味的原因。这也是日本团队在他们的新人造“鼻子”中汲取的灵感。

蚊子救援

该团队没有重建人类嗅觉感受器,而是将研究对象转向蚊子。这并不是说团队特别喜欢这些吸血恶魔。这是因为蚊子的气味感受器是用来增强它们的嗅觉的。除了通常的气味捕捉成分,这些讨厌的臭虫还有一个独立的成分,以生物的方式放大电信号。这使得它们的嗅觉更加灵敏,同时能够精确地辨别它们闻到的是什么——血或避蚊胺。这种特征对我们来说很糟糕,但对人造鼻子来说却很好。

下一步是在芯片上重建细胞结构。在这里,该团队使用一种专有的配方,小心翼翼地微工程两个气泡,每个气泡都装满液体,水平地打碎在一起,形成一种被压扁的数字8。在这两个气泡之间的连接处有一种结构,它模仿了细胞的外壳——有两层脂肪的细胞膜。研究小组称其为人造细胞膜。

然后他们利用合成生物学技术,利用DNA从头开始制造蚊子气味感受器。这些受体被嵌入人工细胞膜中。整个装置——就像两个油罐,紧紧地依偎在一起,但被气味感应膜隔开——然后被放置在一个芯片上。每个气味检测单元都位于芯片上的一串狭缝之上,作为一种排气机制。

这是气味检测的工作原理。每个芯片具有雕刻“通道”,允许任何气味流向每个检测单元。在一个单元中,使用氮气喷射将气味化学物质从狭缝中穿梭到狭缝中。这种“吹动”气味分子用气泡中的液体更好地混合,使得气味检测组件变得更多的“稀缺”。思考搅拌一锅辣椒,这样你就可以闻到更好 - 这是一般的想法。

一旦气味分子抓住嵌入的蚊子气味传感器,传感器就会产生电流。使用电极和计算机,研究小组可以监测这些电流。他们不是依靠单一的设备,而是将16台设备连接到一个芯片上,进一步提高了灵敏度。

作为概念验证,研究小组在他们的生物杂交鼻子上加入了一种叫做八烯醇的气味分子。在癌症患者的呼吸中经常能检测到八烯醇。仅为十亿分之几——这个范围与我们的天然鼻子相似——这种生物杂交“鼻子”能够可靠地嗅出气味,准确率超过90%。

在另一项测试中,该团队让一名志愿者对着袋子大口呼吸。然后,他们通过一个恒定空气流量的调节器将袋子连接到人工鼻子上。“尽管人类的呼吸含有大约3000种不同的代谢产物[分子],”研究小组说,对于一个健康的人来说,他们的呼吸中没有八烯醇,鼻子保持沉默。然而,一旦加入了一点八烯醇气体,仿生“鼻子”立即产生一个电突起,表明它的存在。

一个芬芳的未来

目前,该团队只测试了这种装置,每次只测试一种气味。但由于感应通道是即插即用的,他们对未来充满信心。例如,混合和匹配不同的气味感受器,就可以制造出比我们自己的还要灵敏的人工鼻子。

最终,该团队希望利用他们的仿生鼻子作为一种廉价和便携的方法来检测早期疾病。对于癌症和其他健康问题,体臭的混合物会发生戏剧性的变化。这就是为什么狗和其他嗅觉比我们灵敏的动物能够在早期发现健康问题。此外,一种生物杂交鼻子还可以冒险进入受污染的荒地,在不伤害生物的情况下筛查有毒化学物质。

为了配合“蚊子鼻子”硬件,该团队已经在寻找更复杂的人工智能软件。“我想通过使用某种AI来扩展系统的分析方面。这可以使我们的生物混合传感器检测到更复杂的分子,”Takeuchi说。

图片来源:理查德EcsediUnsplash

范雪来是一位神经科学家出身的科学作家。她在不列颠哥伦比亚大学(University of British Columbia)完成了神经科学博士学位,在那里她开发了神经退化的新疗法。在研究生物大脑时,她开始对人工智能和所有生物技术着迷。毕业后,她搬到了加州大学旧金山分校,研究以血液为基础的因素,使衰老的大脑恢复活力。她是……

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