我现在是2050年，你每月要做一次体检。时代变了，你不再需要忍受孔口检查，静脉注射针头，等待一周的血液检测结果。相反，护士欢迎你说，“医生现在会嗅你”，然后把你带进一个连接着大型计算机的密闭室。当你休息时，你呼出或从身体和皮肤释放出的挥发性分子会慢慢漂移到复杂的人工智能设备中，俗称“深鼻子”。在幕后，“深鼻子”庞大的电子大脑开始对这些分子进行分析，并将它们与它庞大的嗅觉数据库进行比较。一旦有了嗅觉，人工智能就会将你的气味与引起这些气味的医疗条件匹配，并打印出你的健康状况。你的人类医生与你一起检查结果，计划你的治疗或调整你的药物。
阿列克谢·库拉科夫（Alexei Koulakov）就是这样说的冷泉港实验室他研究人类嗅觉系统如何工作，展望了我们医疗保健的一个可能的未来。科拉科夫是一名物理学家，后来成为了神经科学家，他正在研究人类如何感知气味，并根据其“可闻”特性对数百万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，深鼻将能够识别一个人的气味或出于医学或其他原因的任何其他感兴趣的嗅觉气味。“这将是一种可以诊断或识别你的芯片，”库拉科夫说。气味能唯一地识别人或商品，所以深鼻也能帮助边境巡逻队嗅出旅行者、货物或爆炸物。“不用在机场出示护照，你只需出示你自己就行了。”医生的探视简直就是一件轻而易举的事。
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、肺结核和帕金森病，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产物，这些代谢产物是我们代谢活动的产物。这些分子中的一些是挥发物，成为我们气味的一部分，或“气味印记”。当我们生病或开始发病时，我们的代谢过程开始不同，释放出不同的挥发性分子或它们的混合物，因此我们的气味印记也会发生变化。“这些分子携带着关于我们健康状况的信息，”库拉科夫说。例如，帕金森病患者会产生异常高的皮脂，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。”
深鼻会根据你的身体状况来匹配你的气味。
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，并取得了一些有记录的成功和同行评议的研究。最近，来自多个研究机构的一组科学家展示了他们训练三只比格犬嗅探患者血液样本并检测其中肺癌细胞的结果，准确率达97%。2一项研究发表在英国医学杂志声明说狗可以通过闻粪便来检测结直肠癌。3.另一篇论文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，它们必须经过训练，训练大量寿命不长的动物既昂贵又耗时，而且有些徒劳。另外，每次你想给他们的分析武器库添加另一种疾病气味时，你都必须再次训练他们。“用于实际诊断的动物非常有限，”林伯格说。
这让科学家们开始思考电子鼻的可能性。建造一个几年后不会死亡的人工嗅探器要经济得多，它配备了可以定期更新的标准软件。这就是Koulakov设想的“深鼻子”——一种电子嗅觉人工智能，它的功能是像鼻子一样识别气味，像大脑一样解读气味。当然，这并非易事。“深鼻子”是模仿人类大脑的神经机制设计的，但科学家们还没有弄清楚人类大脑是如何识别不同气味的。
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。
在你的鼻腔里，数以百万计的嗅觉神经元正等待着下一个气味分子飞进来。这些神经元有非常微小的手指状突起，称为纤毛，漂浮在覆盖鼻上皮表面的黏液中。神经元的另一端，也就是轴突，向上伸展，穿过颅骨内部的特殊通道，一直延伸到大脑，到达被称为嗅球的区域。嗅球因其洋葱状的形状而得名。当分子飞进我们的鼻子时，它们与纤毛结合，神经元将信息发送到嗅球，嗅球对信息进行解读，从而产生我们的嗅觉。它还将这些信号传递给嗅觉皮层，后者的神经机制将决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，深鼻建筑商仍然面临着巨大的挑战。模拟神经元结合作用的鼻子部分需要化学传感器。这些传感器将通过结合或其他方法与飞行分子相互作用，并检测它们的存在。传感器随后将向电子大脑发送电信号，即深鼻网络，该网络将解释检测到的分子。库拉科夫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作出反应一样。
狗被教导嗅出癌症，老鼠被教导成为“结核病诊断专家”。
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将告诉科学家受体的组合密码，这些受体对从玫瑰到大便、从咖啡到湿狗的气味以及嗅觉系统中的所有其他东西都会激活。相似的是，特定的神经元组合会对特定的分子产生反应，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。”
科学距离电子嗅觉诊断还有几十年的时间。然而，库拉科夫估计，一小群啮齿动物的神经元可以对某些气味做出反应，从而在大约10年内帮助检测健康疾病。这是因为观察它们五彩缤纷的神经元反应所需的技术已经存在，但模拟神经元与飞行分子结合所需的技术——检测我们的代谢物的化学传感器——还没有创造出来。但一旦完成这一工作，制造一个电子鼻来嗅出健康问题将相当简单。库拉科夫说:“我们的进化可能没有让我们诊断疾病，但我们可以设计一个软件来做到这一点。”
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，并因报道粪便科学而获得四项大奖。她的书，另一种暗物质：将废物转化为财富的科学和商业，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。阅读更多鹦鹉螺频道,生物学+之外．
工具书类
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中心科学5, 599 - 606(2019)。
2.,琼奇拉H。et al。犬嗅检测血清肺癌的准确性。美国实验生物学学会联合会33, 635.10 (2019).
3.索诺达，H。，et al。犬嗅检测用气味材料筛选大肠癌。肠胃60, 814 - 819(2011)。
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