未来,医生可以用“鼻子”给患者“闻”诊

2021-03-10 15:00

  新浪科技讯 北京时间2月8日消息,据国外媒体报道,时间快进到2050年。你的每月体检时间到了。不过时代变了。你不再需要忍受各种检查,抽血化验,然后再等待一周时间得到你的血液检测结果。相反,这会,护士会告诉你:“医生可以嗅你了。”然后,护士会把你带到一个与大型计算机相连的密闭室。

  在你休息的间隙,你呼出的或者从你身体、皮肤释放出的易挥发分子将慢慢飘入复杂的人工智能设备,俗称“深鼻”。在你看不见的地方,深鼻的巨型电子大脑将开始处理这些分子,将它们跟嗅觉数据库中的大量数据进行比较。“嗅”够了之后,人工智能会将你的气味与形成这些气味的医学状况进行匹配,并生成你的健康报告。接着,你的人类医生会向你解释这份报告,并为你制定治疗方案或调整你的药物。

  这就是研究员阿列克谢·克拉科夫设想的一种可能的未来医疗情景。克拉科夫原先是物理学家,后来成为了一名神经科学家,现在在冷泉港实验室专门研究人类嗅觉系统的工作方式。克拉科夫致力于弄清楚人类感知气味的方式,并通过气味的“可闻”特点对数百万种挥发性分子进行分类。他计划将现有的气味分门别类,建立一个复杂的人工智能网络,叫做“深鼻”。

  深鼻一旦建成后,将可以为医疗或其他目的,识别人的气味或其他感兴趣的任何嗅觉香味。克拉科夫说:”这将是一个可以对你进行诊断或识别的芯片。“气味可以唯一标识一个人或商品,所以深鼻还可以协助边境巡逻队,嗅探过境人员、货物或爆炸物。届时,你在机场不用出示护照,‘出示’你自己就可以了。”另外,医生的问诊也会变得更加轻松。

  经过同行评审的研究表明,训练有素的狗可以检测包括癌症和结核病在内的多种疾病的特征气味。但从长远来看,可“嗅探的”计算机将更加经济高效。

  一个人的气味可以多少健康信息呢?显然,气味可以透露很多信息。前物理学家、现纽约大学的神经生物学家德米特里·林伯格说:“从空气分子中可以获取的信息异常丰富。”林伯格与克拉科夫在嗅觉研究上有合作。他说:“信息量如此丰富,以至于你可以知道这个人昨天晚上在酒吧喝了哪种酒。”气味还可以揭示身体内正在发生的其他事实。林伯格补充说:“所以,我们尝试使用这种信息来研究基于气味的诊断方式。”

  最近的研究发现,改变人体气味的易挥发化合物可以显明许多疾病(包括癌症、结核病和帕金森氏综合征)。我们的身体会释放某些代谢物质——这是我们的身体代谢活动的产物。这些分子中有一些是挥发性物质,并成为我们气味的一部分,或者也叫“气味印”。当我们生病或患上疾病时,我们的新陈代谢过程会发生变化,释放出不同的挥发性分子或挥发性分子的混合物,进而改变了我们的气味印。克拉科夫说:“这些分子携带这与我们健康状况有关的信息。”例如,帕金森氏病患者会产生水平异常高的皮脂,这是由皮肤皮脂腺分泌出来的一种富含脂质的蜡状生物液体。敏感的鼻子可以嗅出这种气味。

  深鼻可以从空气中获取这些信息。这可以帮助医生更快、更轻松地检测到疾病,甚至还可以避免侵入性诊断流程。克拉科夫说:“这将彻底改变我们的诊断系统。”

  希波克拉底、盖伦、伊本·西那和其他古代的医生都曾用他们的鼻子来给患者诊断病情。感染的伤口会散发出难闻的气味。口臭也预示着许多疾病。但是,今天,医生不会真的去嗅他们的病人,因为人类的嗅觉向来不太灵敏。事实上,跟我们的祖先相比,我们的嗅觉可能还退化了一些。我们的灵长类动物祖先拥有大约850种嗅觉受体,但我们只保留了350种现在还正常工作的嗅觉受体。这些受体通过不同的组合,可以让我们闻出各种各样的气味。(剩下的500多个嗅觉受体基本上已经退化。克拉科夫打趣说:“它们是我们曾经荣耀的残留。”)但同时,犬类也拥有850多个嗅觉受体,而小鼠约有1100个或1200个嗅觉受体。所以,这些动物可以区分更多种类的气味——包括我们身体机能异常时释放的气味。

  现在,科学家可以利用动物的灵敏嗅觉来诊断疾病,已经有文献记录过相关的成功案例,经同行评审的研究也不在少数。最近,由多个研究机构的科学家组成的研究团队发布了他们的研究结果:用三只受过训练的比格犬嗅探患者血液样本,并从中检测肺癌细胞,准确率可达97%。发表于《英国医学杂志》上的一项研究指出,狗能够通过嗅探大便的气味检测结肠直肠癌。发表于“BMC Cancer”杂志上的另一项研究称,狗可以嗅出卵巢癌。在撒哈拉以南非洲,非洲巨囊鼠经过训练,可以上任“结核病诊断员”,通过嗅患者的痰液样本诊断结核病。显微镜的检测精度变化范围在20%到80%之间。而巨囊鼠的鼻子可以将检测准确率提高44%之多。

  但是动物诊断专家也有他们的毛病。首先,小动物上岗前必须先得经过“培训”。但是小动物寿命有限,大量培训这些寿命不长的小动物不仅成本高,而且十分费时,有时候还不一定成功。另外,每一次你想往动物的“分析大脑”加入另一种疾病气味时,你还得重新培训它们一边。林伯格说:“现实中,用动物来诊断疾病其实还是比较少的。”

  这就促使科学家开始思索使用电子鼻的可能性。建造一台可以使用好多年的人工嗅探器,显然要经济得多。再辅以标准软件,这种人工嗅探器可以定期全面更新。这就是克拉科夫设想的深鼻,一种电子嗅觉人工智能,可以像鼻子一样拾取气味,还可以像大脑一样分析气味。当然,这绝非易事。深鼻仿造自人类大脑的神经系统,但是科学家还没有弄清楚人类大脑究竟是如何分辨气味的。

  从生物学上说,嗅觉的行为比我们的视觉能力更为复杂,我们对嗅觉能力的了解却少之又少。分辨气味是一个精确而又复杂的过程。在这个过程中,化学、生物和物理等必须齐上阵——不管你是享受玫瑰的芬芳还是拧着鼻子对狗屎避之不及。

  在你的鼻腔内,数百万个嗅觉神经元正等待着下一个有气味的分子飘入。这些神经元具有微观手指状的突起,叫做纤毛。这些纤毛漂浮在覆盖鼻腔上皮表面的黏液中。神经元的另一端叫做轴突,向上延伸,通过头骨内的特殊通道一直延伸到大脑,通向称为嗅球的大脑区域。之所以把这个区域叫做嗅球,是因为它的形状像洋葱一样。当分子飘入我们的鼻子,它们会附着到纤毛上,然后神经元会将此信息送达嗅球,嗅球又会对信息进行分析解读,于是我们就可以闻到气味。信号接着也会被送达嗅觉皮质,那里的神经系统会决定气味的品质和浓度。

  嗅觉图:图中显示了啮齿动物闻到戊酸甲酯时的大脑活动。包含萤光蛋白的神经元会在激活时改变颜色。红色越深代表活动越多。

  有些分子只会跟某些受体结合。根据分子结合的特殊受体组合,我们可以分辨玫瑰花香和臭狗屎味儿。但即便是看上去如此简单的分子结合,也依旧令人捉摸不透。有些科学家相信“空间结合理论”。该理论认为,分子与受体的独特物理形状契合。其他人则支持“震动理论”。震动理论认为,嗅觉受体可以检测分子的震动频率,然后将该频率“解读”为气味。克拉科夫说:“空间结合理论认为存在一个特殊形状的结合口袋,只有部分分子与之契合,而其他契合不上的分子就继续在黏液中漂泊。”

  不管哪一种理论正确,深鼻的建造者仍面临一个巨大挑战。模拟神经结合作用的鼻子部分,还需要化学传感器。这些传感器将与漂浮的分子互动——不管是以结合的方式还是其他不同的方式,并感知分子的存在。接着,传感器会把电信号发送给电子大脑——深鼻的网络可以分析检测到的分子。克拉科夫设想,深鼻的网络可以像多层网络那样工作,识别出分子的不同部分和分子内的不同化学基团——就像生物大脑内,不同神经元对不同分子的存在做出反应那样。

  幸运的是,研究人员可以看到活动大脑内部的神经元活动。多亏了现代技术,我们可以窥探大脑内部的情况,观察哪些嗅觉受体在遇到哪种气味时会被激活。当然,这会涉及到脑部手术和基因操作,所以我们不会在人类身上做研究,但是小鼠和大鼠可以提供帮助。林伯格的实验室就在做这些研究。他的团队利用基因编辑过的小鼠来进行研究。这些小鼠的嗅觉神经元上带有萤光蛋白,当神经元跟一种气味互动时,萤光蛋白就会发光。现在,林伯格的团队可以通过植入小鼠头颅内的观察窗,观察整个过程。林伯格解释说:“我们对小鼠进行了基因编码,所以它们一出生,大脑中的嗅球便带有萤光蛋白,然后我们可以观察嗅觉神经元的发光情况。然后,我们可以看到,比如说,玫瑰能激活第27、72和112号受体,而狗屎会激活另一组不同的受体。但是,没准,我们可能也会发现,玫瑰和狗屎其实会激活相同的共同受体呢!”

  系统地收集这些神经元激活模式可以帮助科学家了解受体的组合密码,这些组合密码会对玫瑰、大便,对咖啡和湿哒哒的狗狗气味等作出反应,也对所有其他有气味的东西作出反应。相似地,特定的神经元组合会针对特定分子作出反应,发出光亮,包括我们健康时和生病时产生的代谢产物。

  克拉科夫认为,疾病会通过多种挥发性分子(分子鸡尾酒)的存在显现出来。所以,啮齿动物的能力在这里非常有帮助。它们的超强嗅觉受体是我们人类的三倍多,可以嗅出很多我们察觉不出的气味。因此,啮齿动物可以帮助研究人员训练深鼻,嗅探我们身体释放出的、但我们自己却闻不出的气味。就像我们可以训练老鼠来诊断患者的结核病,我们也可以训练它们来嗅探我们的肿瘤。这时候,研究人员可以绘制出老鼠大脑中被点亮的确切神经元,这些神经元会对不同的癌症气味做出反应。克拉科夫说:“一旦我们收集到老鼠大脑中对气味做出反应而激活的神经元信息,我们就可以用这些数据来训练深鼻。绘制这样的‘嗅觉图’十分重要。”

  当然,我们离实现电子嗅觉诊断还差几十年的光景。但是,克拉科夫预期,一小部分经过基因编辑的啮齿动物,它们的神经元会因为某些特定气味而发光,这些啮齿动物可以在未来十年帮助我们发现健康问题。那是因为,我们已经拥有观察啮齿动物大脑中彩色神经元响应的技术,但是我们还没有模拟神经元结合分子所需的技术,即检测我们代谢物的化学传感器还没有开发出来。但是,一旦我们开发出这种化学传感器,我们就非常有把握建造一个可以嗅探健康问题的电子鼻。克拉科夫说:“我们自身的进化可能没有发展出诊断疾病的鼻子。但是,我们可以设计一个软件,来弥补缺陷。”(匀琳)

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