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　　時間快進到2050年。你的每月體檢時間到了。不過時代變了。你不再需要忍受各種檢查，抽血化驗，然后再等待一周時間得到你的血液檢測結果。相反，這會，護士會告訴你：“醫(yī)生可以嗅你了。”然后，護士會把你帶到一個與大型計算機相連的密閉室。

　　在你休息的間隙，你呼出的或者從你身體、皮膚釋放出的易揮發(fā)分子將慢慢飄入復雜的人工智能設備，俗稱“深鼻”。在你看不見的地方，深鼻的巨型電子大腦將開始處理這些分子，將它們跟嗅覺數(shù)據(jù)庫中的大量數(shù)據(jù)進行比較。“嗅”夠了之后，人工智能會將你的氣味與形成這些氣味的醫(yī)學狀況進行匹配，并生成你的健康報告。接著，你的人類醫(yī)生會向你解釋這份報告，并為你制定治療方案或調整你的藥物。

　　這就是研究員阿列克謝·克拉科夫設想的一種可能的未來醫(yī)療情景。克拉科夫原先是物理學家，后來成為了一名神經(jīng)科學家，現(xiàn)在在冷泉港實驗室專門研究人類嗅覺系統(tǒng)的工作方式。克拉科夫致力于弄清楚人類感知氣味的方式，并通過氣味的“可聞”特點對數(shù)百萬種揮發(fā)性分子進行分類。他計劃將現(xiàn)有的氣味分門別類，建立一個復雜的人工智能網(wǎng)絡，叫做“深鼻”。

　　深鼻一旦建成后，將可以為醫(yī)療或其他目的，識別人的氣味或其他感興趣的任何嗅覺香味。克拉科夫說：”這將是一個可以對你進行診斷或識別的芯片。“氣味可以唯一標識一個人或商品，所以深鼻還可以協(xié)助邊境巡邏隊，嗅探過境人員、貨物或爆炸物。屆時，你在機場不用出示護照，‘出示’你自己就可以了。”另外，醫(yī)生的問診也會變得更加輕松。

經(jīng)過同行評審的研究表明，訓練有素的狗可以檢測包括癌癥和結核病在內的多種疾病的特征氣味。但從長遠來看，可“嗅探的”計算機將更加經(jīng)濟高效。

　　一個人的氣味可以多少健康信息呢？顯然，氣味可以透露很多信息。前物理學家、現(xiàn)紐約大學的神經(jīng)生物學家德米特里·林伯格說：“從空氣分子中可以獲取的信息異常豐富。”林伯格與克拉科夫在嗅覺研究上有合作。他說：“信息量如此豐富，以至于你可以知道這個人昨天晚上在酒吧喝了哪種酒。”氣味還可以揭示身體內正在發(fā)生的其他事實。林伯格補充說：“所以，我們嘗試使用這種信息來研究基于氣味的診斷方式。”

　　最近的研究發(fā)現(xiàn)，改變人體氣味的易揮發(fā)化合物可以顯明許多疾病（包括癌癥、結核病和帕金森氏綜合征）。我們的身體會釋放某些代謝物質——這是我們的身體代謝活動的產(chǎn)物。這些分子中有一些是揮發(fā)性物質，并成為我們氣味的一部分，或者也叫“氣味印”。當我們生病或患上疾病時，我們的新陳代謝過程會發(fā)生變化，釋放出不同的揮發(fā)性分子或揮發(fā)性分子的混合物，進而改變了我們的氣味印。克拉科夫說：“這些分子攜帶這與我們健康狀況有關的信息。”例如，帕金森氏病患者會產(chǎn)生水平異常高的皮脂，這是由皮膚皮脂腺分泌出來的一種富含脂質的蠟狀生物液體。敏感的鼻子可以嗅出這種氣味。

　　深鼻可以從空氣中獲取這些信息。這可以幫助醫(yī)生更快、更輕松地檢測到疾病，甚至還可以避免侵入性診斷流程。克拉科夫說：“這將徹底改變我們的診斷系統(tǒng)。”

　　希波克拉底、蓋倫、伊本·西那和其他古代的醫(yī)生都曾用他們的鼻子來給患者診斷病情。感染的傷口會散發(fā)出難聞的氣味。口臭也預示著許多疾病。但是，今天，醫(yī)生不會真的去嗅他們的病人，因為人類的嗅覺向來不太靈敏。事實上，跟我們的祖先相比，我們的嗅覺可能還退化了一些。我們的靈長類動物祖先擁有大約850種嗅覺受體，但我們只保留了350種現(xiàn)在還正常工作的嗅覺受體。這些受體通過不同的組合，可以讓我們聞出各種各樣的氣味。（剩下的500多個嗅覺受體基本上已經(jīng)退化。克拉科夫打趣說：“它們是我們曾經(jīng)榮耀的殘留。”）但同時，犬類也擁有850多個嗅覺受體，而小鼠約有1100個或1200個嗅覺受體。所以，這些動物可以區(qū)分更多種類的氣味——包括我們身體機能異常時釋放的氣味。

　　現(xiàn)在，科學家可以利用動物的靈敏嗅覺來診斷疾病，已經(jīng)有文獻記錄過相關的成功案例，經(jīng)同行評審的研究也不在少數(shù)。最近，由多個研究機構的科學家組成的研究團隊發(fā)布了他們的研究結果：用三只受過訓練的比格犬嗅探患者血液樣本，并從中檢測肺癌細胞，準確率可達97%。發(fā)表于《英國醫(yī)學雜志》上的一項研究指出，狗能夠通過嗅探大便的氣味檢測結腸直腸癌。發(fā)表于“BMC Cancer”雜志上的另一項研究稱，狗可以嗅出卵巢癌。在撒哈拉以南非洲，非洲巨囊鼠經(jīng)過訓練，可以上任“結核病診斷員”，通過嗅患者的痰液樣本診斷結核病。顯微鏡的檢測精度變化范圍在20%到80%之間。而巨囊鼠的鼻子可以將檢測準確率提高44%之多。

　　但是動物診斷專家也有他們的毛病。首先，小動物上崗前必須先得經(jīng)過“培訓”。但是小動物壽命有限，大量培訓這些壽命不長的小動物不僅成本高，而且十分費時，有時候還不一定成功。另外，每一次你想往動物的“分析大腦”加入另一種疾病氣味時，你還得重新培訓它們一邊。林伯格說：“現(xiàn)實中，用動物來診斷疾病其實還是比較少的。”

　　這就促使科學家開始思索使用電子鼻的可能性。建造一臺可以使用好多年的人工嗅探器，顯然要經(jīng)濟得多。再輔以標準軟件，這種人工嗅探器可以定期全面更新。這就是克拉科夫設想的深鼻，一種電子嗅覺人工智能，可以像鼻子一樣拾取氣味，還可以像大腦一樣分析氣味。當然，這絕非易事。深鼻仿造自人類大腦的神經(jīng)系統(tǒng)，但是科學家還沒有弄清楚人類大腦究竟是如何分辨氣味的。

　　從生物學上說，嗅覺的行為比我們的視覺能力更為復雜，我們對嗅覺能力的了解卻少之又少。分辨氣味是一個精確而又復雜的過程。在這個過程中，化學、生物和物理等必須齊上陣——不管你是享受玫瑰的芬芳還是擰著鼻子對狗屎避之不及。

　　在你的鼻腔內，數(shù)百萬個嗅覺神經(jīng)元正等待著下一個有氣味的分子飄入。這些神經(jīng)元具有微觀手指狀的突起，叫做纖毛。這些纖毛漂浮在覆蓋鼻腔上皮表面的黏液中。神經(jīng)元的另一端叫做軸突，向上延伸，通過頭骨內的特殊通道一直延伸到大腦，通向稱為嗅球的大腦區(qū)域。之所以把這個區(qū)域叫做嗅球，是因為它的形狀像洋蔥一樣。當分子飄入我們的鼻子，它們會附著到纖毛上，然后神經(jīng)元會將此信息送達嗅球，嗅球又會對信息進行分析解讀，于是我們就可以聞到氣味。信號接著也會被送達嗅覺皮質，那里的神經(jīng)系統(tǒng)會決定氣味的品質和濃度。

嗅覺圖：圖中顯示了嚙齒動物聞到戊酸甲酯時的大腦活動。包含螢光蛋白的神經(jīng)元會在激活時改變顏色。紅色越深代表活動越多。

　　有些分子只會跟某些受體結合。根據(jù)分子結合的特殊受體組合，我們可以分辨玫瑰花香和臭狗屎味兒。但即便是看上去如此簡單的分子結合，也依舊令人捉摸不透。有些科學家相信“空間結合理論”。該理論認為，分子與受體的獨特物理形狀契合。其他人則支持“震動理論”。震動理論認為，嗅覺受體可以檢測分子的震動頻率，然后將該頻率“解讀”為氣味。克拉科夫說：“空間結合理論認為存在一個特殊形狀的結合口袋，只有部分分子與之契合，而其他契合不上的分子就繼續(xù)在黏液中漂泊。”

　　不管哪一種理論正確，深鼻的建造者仍面臨一個巨大挑戰(zhàn)。模擬神經(jīng)結合作用的鼻子部分，還需要化學傳感器。這些傳感器將與漂浮的分子互動——不管是以結合的方式還是其他不同的方式，并感知分子的存在。接著，傳感器會把電信號發(fā)送給電子大腦——深鼻的網(wǎng)絡可以分析檢測到的分子。克拉科夫設想，深鼻的網(wǎng)絡可以像多層網(wǎng)絡那樣工作，識別出分子的不同部分和分子內的不同化學基團——就像生物大腦內，不同神經(jīng)元對不同分子的存在做出反應那樣。

　　幸運的是，研究人員可以看到活動大腦內部的神經(jīng)元活動。多虧了現(xiàn)代技術，我們可以窺探大腦內部的情況，觀察哪些嗅覺受體在遇到哪種氣味時會被激活。當然，這會涉及到腦部手術和基因操作，所以我們不會在人類身上做研究，但是小鼠和大鼠可以提供幫助。林伯格的實驗室就在做這些研究。他的團隊利用基因編輯過的小鼠來進行研究。這些小鼠的嗅覺神經(jīng)元上帶有螢光蛋白，當神經(jīng)元跟一種氣味互動時，螢光蛋白就會發(fā)光。現(xiàn)在，林伯格的團隊可以通過植入小鼠頭顱內的觀察窗，觀察整個過程。林伯格解釋說：“我們對小鼠進行了基因編碼，所以它們一出生，大腦中的嗅球便帶有螢光蛋白，然后我們可以觀察嗅覺神經(jīng)元的發(fā)光情況。然后，我們可以看到，比如說，玫瑰能激活第27、72和112號受體，而狗屎會激活另一組不同的受體。但是，沒準，我們可能也會發(fā)現(xiàn)，玫瑰和狗屎其實會激活相同的共同受體呢！”

　　系統(tǒng)地收集這些神經(jīng)元激活模式可以幫助科學家了解受體的組合密碼，這些組合密碼會對玫瑰、大便，對咖啡和濕噠噠的狗狗氣味等作出反應，也對所有其他有氣味的東西作出反應。相似地，特定的神經(jīng)元組合會針對特定分子作出反應，發(fā)出光亮，包括我們健康時和生病時產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物。

　　克拉科夫認為，疾病會通過多種揮發(fā)性分子（分子雞尾酒）的存在顯現(xiàn)出來。所以，嚙齒動物的能力在這里非常有幫助。它們的超強嗅覺受體是我們人類的三倍多，可以嗅出很多我們察覺不出的氣味。因此，嚙齒動物可以幫助研究人員訓練深鼻，嗅探我們身體釋放出的、但我們自己卻聞不出的氣味。就像我們可以訓練老鼠來診斷患者的結核病，我們也可以訓練它們來嗅探我們的腫瘤。這時候，研究人員可以繪制出老鼠大腦中被點亮的確切神經(jīng)元，這些神經(jīng)元會對不同的癌癥氣味做出反應。克拉科夫說：“一旦我們收集到老鼠大腦中對氣味做出反應而激活的神經(jīng)元信息，我們就可以用這些數(shù)據(jù)來訓練深鼻。繪制這樣的‘嗅覺圖’十分重要。”

　　當然，我們離實現(xiàn)電子嗅覺診斷還差幾十年的光景。但是，克拉科夫預期，一小部分經(jīng)過基因編輯的嚙齒動物，它們的神經(jīng)元會因為某些特定氣味而發(fā)光，這些嚙齒動物可以在未來十年幫助我們發(fā)現(xiàn)健康問題。那是因為，我們已經(jīng)擁有觀察嚙齒動物大腦中彩色神經(jīng)元響應的技術，但是我們還沒有模擬神經(jīng)元結合分子所需的技術，即檢測我們代謝物的化學傳感器還沒有開發(fā)出來。但是，一旦我們開發(fā)出這種化學傳感器，我們就非常有把握建造一個可以嗅探健康問題的電子鼻。克拉科夫說：“我們自身的進化可能沒有發(fā)展出診斷疾病的鼻子。但是，我們可以設計一個軟件，來彌補缺陷。”