Система искусственного интеллекта может описать, как пахнут соединения, просто анализируя их молекулярные структуры, и ее описания часто похожи на описания обученных нюхачей—людей.
Исследователи, разработавшие систему, использовали ее для составления списка запахов, таких как ‘фруктовый’ или ‘травяной’, которые соответствуют сотням химических структур. Это руководство по запахам может помочь исследователям в разработке новых синтетических ароматов и может дать представление о том, как человеческий мозг интерпретирует запах.
Дуновение воспоминания
Запахи – это единственный тип сенсорной информации, которая поступает непосредственно от органа чувств — в данном случае носа — в центры памяти и эмоций мозга; другие виды сенсорной информации сначала проходят через другие области мозга. Этот прямой путь объясняет, почему ароматы могут вызывать специфические, яркие воспоминания.
“В запахе есть что-то особенное”, – говорит нейробиолог Александр Вильчко. Его начинающая компания Osmo из Кембриджа, штат Массачусетс, является дочерним предприятием Google Research, которое пытается разработать новые вонючие молекулы, или отдушки.
Чтобы исследовать связь между структурой химического вещества и его запахом, Уилтшко и его команда из Osmo разработали систему искусственного интеллекта (ИИ), называемую нейронной сетью, которая может присвоить одоранту одно или более из 55 описательных слов, таких как “рыбный” или “винный”. Команда поручила ИИ описать аромат примерно 5000 отдушек. ИИ также проанализировал химическую структуру каждого отдушки, чтобы определить взаимосвязь между структурой и ароматом.
Система выявила около 250 корреляций между конкретными закономерностями в структуре химического вещества и конкретным запахом. Исследователи объединили эти корреляции в основную карту запахов (POM), с которой ИИ мог сверяться, когда его просили предсказать запах новой молекулы.
Чтобы протестировать POM на человеческих носах, исследователи обучили 15 добровольцев ассоциировать определенные запахи с тем же набором описательных слов, которые использует ИИ. Затем авторы собрали сотни отдушек, которые не существуют в природе, но достаточно знакомы людям, чтобы их описать. Они попросили добровольцев-людей описать 323 из них и попросили ИИ предсказать запах каждой новой молекулы на основе ее химической структуры. Предположения ИИ, как правило, были очень близки к среднему ответу людей — часто ближе, чем предположения любого человека.
Что знает нос
“Это хороший шаг вперед с использованием машинного обучения”, – говорит Стюарт Файрстайн, нейробиолог из Колумбийского университета в Нью-Йорке. Он говорит, что POM мог бы стать полезным справочным инструментом, например, в пищевой промышленности и производстве чистящих средств.
Но Файрстайн указывает, что POM мало что говорит о биологии человеческого обоняния — например, о том, как различные молекулы взаимодействуют примерно с 350 рецепторами запаха в человеческом носу. “У них есть химическая сторона и сторона мозга, но мы пока ничего не знаем о середине”, – говорит он.
Пабло Мейер, системный биолог из IBM Center for Computational Health в Йорктаун-Хайтс, Нью-Йорк, высоко оценивает использование в статье языка для связи структур с субъективными запахами. Но он не согласен с тем, что среднее значение ответов людей является “правильным” способом описания запаха. “Запах – это нечто личное”, – говорит он. “Я не думаю, что существует правильное восприятие чего-либо”.
По словам Уилчко, следующий шаг – выяснить, как ароматизаторы сочетаются и конкурируют друг с другом, создавая то, что человеческий мозг интерпретирует как запах, полностью отличающийся от запаха каждого отдельного ароматизатора. Мейер и Файрстайн говорят, что это будет очень сложно: смешивание всего 100 молекул в различных комбинациях из 10 приводит к появлению 17 триллионов вариаций, и количество возможных комбинаций быстро становится слишком большим для анализа компьютером.
Но на самом деле именно так пахнут люди, говорит Файрстайн. Даже специфический аромат, такой как кофе, содержит сотни химических отдушек. “Предсказать, как пахнет смесь, – это следующий рубеж”, – говорит Уилчко.