方陵生

2050年，你可能每個月定期會做一次體檢。但這時，你已不再需要做包括靜脈穿刺采血等各種痛苦而煩瑣的檢查，也不需要等待一周才能看到你的血液檢測結(jié)果。你只要坐著不動，從你口鼻中呼出的，或從你的體內(nèi)釋放出來的揮發(fā)性分子會慢慢進入復(fù)雜的人工智能儀器，它就是被稱為“深鼻”的未來的電子鼻“醫(yī)生”。“深鼻”對收集到的人體發(fā)出的氣體分子進行分析，并將其與龐大的嗅覺數(shù)據(jù)庫進行比較，將氣味與導(dǎo)致這些氣味產(chǎn)生的各種病癥進行對比匹配，生成并打印關(guān)于你的健康狀況的診斷結(jié)果。醫(yī)生會根據(jù)檢查結(jié)果，制訂相應(yīng)的治療方案或進行藥物調(diào)整。

“氣味指紋”診斷疾病

上文所提及的內(nèi)容，是研究人類嗅覺系統(tǒng)工作原理的美國冷泉港研究所實驗室研究員阿列克謝·庫拉科夫向我們展示的有關(guān)未來醫(yī)療保健的一個場景。阿列克謝·庫拉科夫是一位神經(jīng)科學(xué)家，他正在研究人類如何感知氣味，并根據(jù)氣味的“可聞”特性對數(shù)百萬揮發(fā)性分子進行分類。他計劃將現(xiàn)有的氣味編入一個綜合性人工智能網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)一旦建成，“深鼻”將能夠識別某個人特有的氣味，也能識別醫(yī)學(xué)上或其他領(lǐng)域內(nèi)為人們感興趣的任何其他氣味。而能為你識別氣味并作出診斷的將是一塊計算機芯片。因為氣味具有唯一性，能識別一個人或一種物品，所以未來的“深鼻”還能幫助邊境巡邏隊對旅客、貨物或爆炸物進行排查。在機場，你甚至都不用出示護照。屆時，醫(yī)生診斷病情也變得輕松多了，患者也可免去許多痛苦且煩瑣的檢查。

那么，氣味真的能夠說明一個人的健康狀況嗎？當然可以，氣味能夠透露很多信息。與阿列克謝·庫拉科夫合作進行嗅覺研究的紐約大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)家德米特里·林伯格認為，空氣中的氣味分子含有非常豐富的信息。氣味作為一種信息源非常有用，研究人員正在研究如何將豐富的氣味信息用于病情診斷。

最新研究發(fā)現(xiàn)，許多疾病，包括癌癥、肺結(jié)核和帕金森病，都可以通過揮發(fā)性化合物改變?nèi)说臍馕?。我們的身體會釋放代謝產(chǎn)物，其中一些分子是揮發(fā)物，成為人體釋放的氣味的一部分，或被稱為“氣味指紋”。當人生病時，身體的代謝功能會產(chǎn)生變化，會釋放出一些與以往不同的揮發(fā)性分子，我們的“氣味指紋”也會隨之發(fā)生變化，這些“氣味指紋”會攜帶我們健康狀況的信息。例如，帕金森病患者的皮膚皮脂腺會分泌一種蠟狀富含油脂的生物液體，敏感的“深鼻”可以從稀薄的空氣中檢測發(fā)現(xiàn)它的存在。電子鼻“嗅聞”診病可以讓醫(yī)生更早、更容易地發(fā)現(xiàn)疾病，甚至可以避免一些侵入性的診斷方式。這將從根本上改變醫(yī)療診斷系統(tǒng)。

嚙齒動物在嗅聞戊酸甲酯時的大腦神經(jīng)元活動。戊酸甲酯是一種散發(fā)水果味的化學(xué)物質(zhì)。嚙齒動物的大腦神經(jīng)元被植入了熒光蛋白，神經(jīng)元活躍時，熒光蛋白會改變顏色，深紅色對應(yīng)更活躍的大腦活動。

中醫(yī)使用“望聞問切”的診病方法，他們的鼻子就是診斷工具之一。帶有難聞氣味的傷口可能意味著它已被感染，而口臭則是多種疾病的征兆。然而，今天的醫(yī)生們通常不用嗅聞來為患者診斷，這是因為人類的嗅覺能力在退化，遠不如我們靈長類的祖先。如今，我們只保留了350種還在起作用的嗅覺感受器。嗅覺感受器也被稱作“嗅覺受器”、“嗅覺受體”或“氣味受體”。保留下來的嗅覺感受器通過不同的組合，讓我們能夠聞到各種各樣的氣味，但其余的感受器已經(jīng)退化不再起作用。而狗大約有850種嗅覺感受器，老鼠約有1100或1200種。因此，與人類相比，這些動物能夠辨別更多種類的氣味，甚至包括我們身體機能失常時所產(chǎn)生的氣味。

如今，科學(xué)家們正在利用動物強大的嗅覺能力來為我們診斷疾病，并取得了一些有文獻記載的成功例子。最近，幾家研究機構(gòu)的科學(xué)家展示了他們的研究成果，他們訓(xùn)練的3只比格犬通過嗅聞患者血液樣本來檢測其中的肺癌細胞，準確率高達97%。此外，《英國醫(yī)學(xué)雜志》上發(fā)表的一項研究表明，狗能夠通過嗅聞糞便的氣味來檢測患者是否患有結(jié)直腸癌。同時，另一篇論文還描述了狗如何嗅聞出卵巢癌的氣味。在撒哈拉以南的非洲，一種非洲巨鼠被訓(xùn)練成為“結(jié)核病診斷專家”，它們可以從患者的痰樣本中嗅聞診斷結(jié)核病，借助巨鼠鼻子可極大地提高醫(yī)生的診斷準確率。

但是，利用動物進行疾病診斷也存在一些問題。首先，必須對它們進行訓(xùn)練。訓(xùn)練這些壽命不長的動物既昂貴又耗時，想要給它們的氣味分析庫再添加另一種疾病的氣味，就必須再次訓(xùn)練它們。其次，使用動物進行實際診斷的可行性是非常有限的。

電子鼻未來可期

因此，科學(xué)家們開始思考利用電子鼻的可能性。構(gòu)建一種不會像動物一樣在幾年后死亡的人工嗅探器，配備可定期更新的專用標準軟件，將是一種更為經(jīng)濟的選擇。這就是阿列克謝·庫拉科夫設(shè)想的“深鼻”，一種電子嗅覺人工智能。它可以像鼻子一樣捕捉氣味，也可以像大腦一樣對氣味進行解釋，要做到這一切，“深鼻”需要模仿人腦的神經(jīng)機制。但是，目前科學(xué)家們還未弄清楚人腦識別不同氣味的內(nèi)在機制。

從生物學(xué)的角度來看，嗅覺行為比我們的視覺能力更復(fù)雜，也更難理解。識別一種氣味是一個精確而復(fù)雜的過程。在這個過程中，化學(xué)、生物學(xué)和物理學(xué)必須共同“奏響”一曲“協(xié)奏曲”。無論你是在品味玫瑰的怡人香氣，還是捏著鼻子處理一堆難聞的狗屎，都會經(jīng)歷這個復(fù)雜的過程。

研究表明，狗可被訓(xùn)練用來檢測與疾病，包括癌癥和肺結(jié)核相關(guān)的特殊氣味。但從長遠來看，“嗅探”氣味的人工智能將會更加經(jīng)濟有效。

在你的鼻腔里，數(shù)以百萬計的嗅覺神經(jīng)元在等待下一個氣味分子進入。這些神經(jīng)元有著微小的手指狀突起，它們被稱為“纖毛”。鼻上皮組織表面覆蓋著一層黏液，纖毛就懸浮在這些黏液中。神經(jīng)元的另一端是軸突，軸突向上伸展，穿過顱骨內(nèi)的特殊通道，一直通向大腦中一個叫作“嗅球”的區(qū)域。這個大腦區(qū)域因其形似洋蔥而得名。氣味分子進入鼻腔，與纖毛結(jié)合，鼻腔里的嗅覺神經(jīng)元將這些信息傳送到大腦嗅球，由嗅球進行解釋，從而產(chǎn)生我們的嗅覺感知。同時，嗅覺神經(jīng)元將這些信號傳遞給大腦嗅覺皮層，由嗅覺皮層的神經(jīng)機制來確定氣味的濃淡程度。

一些分子與某些嗅覺感受器結(jié)合，但不與其他嗅覺感受器結(jié)合。這取決于氣味分子與受體的具體組合，我們會聞到玫瑰的香味或狗屎的難聞氣味，但氣味分子與嗅覺感受器的組合非常復(fù)雜，即使是看似簡單的“握手”也是神秘難測。有一些科學(xué)家相信“空間結(jié)合理論”，即不同的氣味分子適合于不同物理形態(tài)的嗅覺感受器。此外，還有一些科學(xué)家支持“振動理論”，認為嗅覺感受器通過檢測分子的振動頻率將其“轉(zhuǎn)化”為氣味信息。

但不管哪種理論被證明是正確的，“深鼻”研究者仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。模擬鼻腔中神經(jīng)元的電子鼻需要配備一些化學(xué)傳感器，這些傳感器與進入的氣味分子相互作用，檢測它們的存在，隨后向電子大腦——“深鼻”發(fā)送電信號，對檢測到的分子作出解釋。在阿列克謝·庫拉科夫的設(shè)想中，電子鼻應(yīng)是一個多層網(wǎng)絡(luò)，能夠識別不同的氣味分子，以及其中不同的化學(xué)基團。

現(xiàn)代科技可讓研究人員觀察嗅聞氣味時大腦內(nèi)部神經(jīng)元的活動情況，觀察大腦嗅覺區(qū)對氣味的反應(yīng)，但這類研究需要腦部手術(shù)和基因操作，所以只能讓老鼠等實驗動物為我們提供幫助。德米特里·林伯格的研究小組使用的是轉(zhuǎn)基因小鼠，它們的嗅覺神經(jīng)元經(jīng)過熒光蛋白染色處理，當它們對氣味有反應(yīng)時，熒光蛋白會發(fā)光。研究人員可以通過植入嚙齒動物頭骨的觀察窗來同步觀察這個過程。例如，玫瑰的香味刺激27號、72號和112號嗅覺感受器，而狗糞氣味刺激其他不同的嗅覺感受器亞群。同時，他們還發(fā)現(xiàn)玫瑰和狗糞的氣味實際上還激活了一些相同的嗅覺感受器。

科學(xué)家們系統(tǒng)收集這些大腦神經(jīng)元的激活模式，以破解嗅覺感受器與氣味分子的組合密碼。特定的神經(jīng)元組合對特定的氣味分子產(chǎn)生反應(yīng)，包括對人體在健康狀態(tài)下和生病狀態(tài)下所產(chǎn)生不同氣味的反應(yīng)。

阿列克謝·庫拉科夫認為，疾病很可能通過多種揮發(fā)性分子產(chǎn)生的混合氣味表現(xiàn)出來，因此嚙齒動物的能力在這里能夠表現(xiàn)得尤其突出，它們有著出色的嗅覺感受器，其數(shù)量是我們的3倍，使它們可以聞到比我們多得多的混合氣味。它們可以幫助訓(xùn)練電子鼻適應(yīng)由人體發(fā)出但人類自身無法察覺的各種氣味。研究人員可以繪制出老鼠大腦中對不同癌癥氣味作出反應(yīng)的確切神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)模式圖，用收集到的老鼠大腦中神經(jīng)元對氣味反應(yīng)的數(shù)據(jù)信息來訓(xùn)練“深鼻”。

電子嗅覺診斷疾病要真正走進我們的生活，大概還要幾十年?，F(xiàn)有的技術(shù)已經(jīng)可以觀察到實驗動物經(jīng)過著色的神經(jīng)元反應(yīng)，但是模擬鼻腔內(nèi)嗅覺神經(jīng)元與氣味分子結(jié)合所需的技術(shù)——檢測我們代謝物的化學(xué)傳感器還沒有發(fā)明出來。一旦這項工作完成，構(gòu)建一個電子鼻來發(fā)現(xiàn)健康問題就相當簡單了。