«А теперь доктор вас обнюхает»: что такое «Глубокий нос» и как ставят диагнозы по запаху

Научный сотрудник Лаборатории Колд Спринг Харбор (в прошлом физик, а ныне нейробиолог) Алексей Кулаков исследует, как люди воспринимают запахи, чтобы классифицировать миллионы летучих молекул по их «пахучим» характеристикам. Затем он планирует «cкормить» каталог запахов нейросети. По его словам, «Глубокий нос» сможет распознать запах любого человека и на основании этой информации провести медицинскую диагностику.

По запаху можно безошибочно идентифицировать как людей, так и объекты, поэтому «Глубокий нос» также пригодится пограничникам для проверки пассажиров и грузов или поиска взрывчатки, говорит Кулаков.

Что может рассказать запах человека о его здоровье? Очень много. «Переносимые воздухом молекулы содержат самую разную информацию. Они даже могут сообщить, какой сорт пива вы пили прошлым вечером», — говорит нейробиолог Дмитрий Ринберг из Нью-Йоркского университета, который занимается изучением запахов вместе с Кулаковым.

Последние исследования показывают, что многие заболевания, в том числе рак, туберкулез и болезнь Паркинсона, меняют запах человека. Наше тело выделяет метаболиты — вещества, которые во многом определяют то, как мы пахнем. Когда мы заболеваем, метаболические процессы начинают протекать иначе — и наш запах меняется.

Например, у людей, страдающих болезнью Паркинсона, производится слишком много кожного сала, насыщенного липидами воскообразного вещества, выделяемого сальными железами. «Глубокий нос» смог бы уловить этот запах в воздухе и выявить заболевание на более ранней стадии. «Это изобретение произвело бы революцию в системе медицинской диагностики», — говорит Кулаков.

Гиппократ, Гален, Авиценна и другие врачи древности определяли заболевания по запаху. Они знали, что зловонная рана означает инфекцию, а дурной запах изо рта может сигнализировать о самых разных недугах. Однако сегодня врачи не обнюхивают своих пациентов.

Отчасти дело в слабом обонянии человека. У наших предков-приматов было 850 видов обонятельных рецепторов, у современных же людей их всего 350. Для сравнения: у собак примерно 850 видов рецепторов, а у мышей — 1100–1200, что позволяет им распознавать намного больше запахов, в том числе те, которые связаны с нарушениями в работе человеческого организма.

Теперь ученые используют эту способность животных для диагностики заболеваний.

Недавно группа ученых из нескольких исследовательских институтов обучила трех биглей по запаху распознавать клетки рака легких в образцах крови с точностью 97%.

В статье, опубликованной в «Британском медицинском журнале», сообщается о собаках, которые успешно определяли колоректальный рак по запаху стула. В другой статье (журнал BMC Cancer) говорится о собаках, распознающих рак яичников. А в Тропической Африке гамбийских крыс научили диагностировать туберкулез на основе образцов мокроты. При микроскопическом исследовании точность обнаружения — от 20 до 80%. Благодаря крысам ее удалось повысить на целых 44%.

Но использование животных в диагностике заболеваний имеет свои недостатки. Их нужно сначала обучить, а обучение большого количества животных, которые к тому же живут недолго, стоит дорого и занимает много времени. Кроме того, чтобы научить их распознавать новую болезнь, их всех каждый раз придется обучать заново.

Поэтому ученые задумались о разработке электронного носа. Аппарат для анализа запахов, который имеет стандартное ПО и долгий срок службы, — это намного экономичнее.

Само собой, создать систему, которая бы одновременно выполняла функцию носа (то есть улавливала запахи) и мозга (анализировала их), очень непросто. «Глубокий нос» должен имитировать устройство человеческого мозга, но ученые до сих пор точно не знают, как мозг различает запахи.

Обоняние — более сложное и менее изученное чувство, чем зрение. В носовой полости расположены миллионы обонятельных нейронов, покрытых микроскопическими волосковидными структурами — ресничками. Отростки нейронов — аксоны — ведут к области мозга, которая называется «обонятельная луковица». Когда молекулы попадают в нос, они захватываются ресничками, а нейроны посылают информацию в обонятельную луковицу, которая анализирует ее и формирует наше восприятие запаха.

Определенные молекулы связываются только с рецепторами определенных нейронов. Но даже этот относительно простой процесс по-прежнему остается неизученным.

Одни ученые придерживаются теории стерического связывания, согласно которой запахи «возникают», когда физическая форма рецепторов и молекул совпадают. Другие — вибрационной теории, утверждающей, что рецепторы обонятельных нейронов регистрируют частоту колебаний молекул и «преобразуют» ее в запахи.

Но какая бы из этих теорий ни оказалась верна, создатели «Глубокого носа» должны будут решить большую проблему. Для носовой части, имитирующей связывание нейронов, потребуются химические сенсоры, которые бы фиксировали содержащиеся в воздухе молекулы, взаимодействовали с ними и посылали сигналы в электронный мозг, а он, в свою очередь, интерпретировал бы полученную информацию. Кулаков представляет себе «Глубокий нос» как систему, состоящую из нескольких слоев, распознающих разные химические соединения, точно так же, как разные нейроны реагируют на присутствие разных молекул.

К счастью, этот процесс можно наблюдать воочию. Современные технологии позволяют заглянуть внутрь мозга и увидеть, какие обонятельные рецепторы активируются в ответ на определенные запахи.

Команда Ринберга вывела генетически модифицированных мышей, обонятельные нейроны которых окрашены флуоресцентными белками — они светятся, когда активируются нейроны. Весь процесс ученые наблюдают через окошко, вживленное в череп животных. «Теперь мы знаем, что, например, запах роз активирует нейроны номер 27, 72 и 112, тогда как запах экскрементов — совсем другой набор нейронов», — объясняет Ринберг.

По предположению Кулакова, заболевание на уровне запахов — это сочетание летучих молекул. Сверхчувствительные обонятельные нейроны грызунов позволят обучить «Глубокий нос» распознавать многочисленные запахи, которые не в состоянии распознать мы. Если крыс удалось научить диагностировать туберкулез, их можно будет научить выявлять и опухоли. Тогда ученые смогут определить, какие именно нейроны в мозгу реагируют на запахи разных видов рака.

«Как только мы соберем достаточно данных о том, какие нейроны в мозгу мышей активируются в ответ на какие запахи, мы сможем использовать их для обучения „Глубокого Носа“», — говорит Кулаков.

Наука еще далека от диагностики заболеваний по запаху. Но, по оценке Кулакова, грызуны с окрашенными нейронами могут помочь сократить время ожидания до десяти лет.

Технология для наблюдения за активностью нейронов уже существует, тогда как технологию, необходимую для имитации связывания нейронов с молекулами, еще только предстоит изобрести. Как только это будет сделано, создать электронный нос, способный определять болезни, не составит большого труда.

«Пусть мы сами и не в состоянии диагностировать заболевания по запаху, — говорит Кулаков, — зато мы можем разработать ПО, которое справится с этой задачей».