Ароматы и смысл

Существуют миллионы сенсорных миров, которые люди не могут воспринимать. Понимание того, что значит быть диким существом, выходит за рамки ограниченного разрешения человеческих чувств. Например, насекомые живут в мире запахов, расшифровывая тонкие химические нюансы запаха, доносящиеся через их усики. В случае саранчи — мигрирующей роящейся формы некоторых асоциальных кузнечиков — их обоняние тесно связано с их физической и общественной трансформацией. Определенные условия окружающей среды заставляют саранчу линять и выделять феромоны, которые привлекают больше саранчи.1,2 После потери своего старого тела и одиночного существования миллиарды саранчи собираются в разрушительные стаи, которые затмевают солнце и досаждают людям. Эта драматическая трансформация тела и образа жизни зависит от их изысканной способности обнаруживать и различать тонкие запахи.3

Недавно Дебаджит Саха, доцент кафедры биомедицинской инженерии в Университете штата Мичиган, и его команда подключились к чувствительным к запахам схемам мозга саранчи, чтобы обнаружить запаховые признаки рака полости рта человека. Раньше Саха использовала саранчу для обнаружения бомб4, что сделало переход к обнаружению рака интересным. «Рак изменяет [клеточный] метаболизм, и эти изменения отражаются на выдыхаемом воздухе», — сказал Саха. Эти уникальные химические характеристики, известные как летучие органические соединения (ЛОС), могут стать многообещающими биомаркерами заболеваний, если ученые смогут их обнаружить. Другие исследователи разрабатывают искусственные датчики, также известные как электронные носы, для выявления рака, но их чувствительность, специфичность и скорость все еще ограничены по сравнению с существами, населяющими сенсорный ландшафт обоняния. Команда Саха возвращается к биологии, чтобы использовать самые мощные биосенсоры природы. «Вместо того, чтобы заново проектировать биологический мозг, мы продвигаем их вычисления», — сказал Саха.

Команда Саха исследовала, могут ли они перехватить цепи обработки запахов в мозгу саранчи, чтобы обнаружить и различить раковые клетки полости рта человека, растущие в колбе, и сообщили о своих выводах в журнале «Биосенсоры и биоэлектроника».5 Они провели операцию на мозге саранчи и вставили в нее электроды. области мозга, которые обрабатывают запахи. Затем команда Саха собрала образцы газа из клеточных культур трех различных типов клеток рака полости рта человека и здоровых клеток полости рта человека. Они пропустили образцы газа, каждый из которых содержал определенную смесь ЛОС из соответствующих клеток, над усиками саранчи и записали электрическую активность мозга. Объединив результаты, полученные от нескольких саранчи, команда Саха обнаружила, что их мозг производит различные электрические паттерны для каждого из различных типов клеток. Саранча не только отличала рак от здоровых клеток, но и различала тонкие запахи различных видов рака полости рта.

«Это важная работа, которая расширяет нашу область и может однажды привести к созданию реальных устройств для постановки диагноза здоровья», — сказал Брюс Кимбалл, эколог-химик из Центра химических чувств Монелла в Пенсильвании, который не участвовал в этом исследовании. По мнению Кимбалла, любая комбинация детектора — сенсорных нейронов, искусственных датчиков или других аналитических инструментов — с алгоритмом анализа закономерностей — биологическим мозгом, чипом, имитирующим мозг, или машинным обучением — может в конечном итоге помочь исследователям пересечь финишную черту. При достаточно точной настройке любая такая система «вероятно, сможет успешно различать запахи, связанные с большинством заболеваний».

Саха объяснил, что вычислительная мощность биосенсоров саранчи превышает мощность нынешних искусственных датчиков. Используя ограниченное количество рецепторов запаха, саранча обладает почти неограниченной способностью кодировать различные химические вещества. «Им не нужно идентифицировать отдельные компоненты, они могут просто взять всю смесь и создать отпечаток [запаха]», — сказал Саха. Его команда планирует протестировать образцы дыхания больных раком людей, которые имеют гораздо более сложные ароматические характеристики, чем культивируемые клетки. «Это будет большое испытание».