Andrei Mershin todavía está enojado con los perros. "Bueno, en realidad, los amo", dice un científico griego-ruso en su cómoda oficina en el Instituto de Massachusetts (MIT). “Pero ellos solo me hacen a mí”.
Incluye un video para mostrar de qué está hablando. En él, un perro de aguas blanco y negro llamado Lucy llega hasta seis vasos con orina humana. El perro los huele, a veces, brevemente, a veces, un poco más, obviamente tratando de descubrir algo. De hecho, ella hace un diagnóstico. Búsquedas para controlar el olor indicativo de cáncer de próstata. Resulta que este cáncer le da una nota característica a la orina masculina. Muy notable, al menos para el perro. Cuando Lucy encuentra un vaso de un paciente con cáncer, se sienta frente a él y recibe un regalo de sus entrenadores.
Entre las personas, que volaron a la luna, recibieron una foto de un agujero negro y crearon automóviles con pilotos automáticos, la definición de cáncer de próstata todavía se considera una tarea muy difícil. Básicamente, la humanidad está tratando de analizar la sangre del paciente en busca de niveles elevados de proteínas específicas (PSA). Pero el éxito de esta lección es extremadamente dudoso. El científico que descubrió por primera vez el PSA calificó la prueba como "un poco más exitosa que lanzar una moneda". Un falso positivo puede conducir a una biopsia de la próstata, un procedimiento extremadamente desagradable en el que se inserta una gran cánula a través de la pared del recto para extraer muestras de tejido.
Por otro lado, los perros adecuadamente entrenados pueden detectar el cáncer de próstata con una precisión de más del 90%, y para ellos esto no es un problema en absoluto. Lucy maneja seis muestras en menos de dos minutos. Andrei Mershin no puede aceptar esto:
Tenemos más de $ 100 millones en equipos en la parte inferior ¿Y el perro me vence? Simplemente me molesta.
Mershin no es médico. Es físico por formación. Dirige el laboratorio de Label Free Research Group, borrando los límites entre física, biología e informática. La oficina de Mershin tiene un par de anteojos que pueden medir las ondas cerebrales, revistas de aviación, libros de urología y libros de codificación de Python. Se niega a usar los mismos calcetines y habla muy rápido con acento ruso, cambiando constantemente de tema. Es bajo y regordete, con un gran mechón de cabello blanco, que de vez en cuando rebota cuando está emocionado por algo.
El laboratorio de Mershin, con su equipo de $ 100 millones, está ubicado un par de pisos debajo de su oficina del MIT. En una habitación, los investigadores están tratando de inventar nuevos colores. En otro, crear los materiales más ligeros y duraderos del planeta. Pero su proyecto más intrigante es el desarrollo de AO (en lugar de AI): olor artificial. En pocas palabras, están tratando de enseñar a los robots a oler.
El mundo ya está lleno de máquinas que pueden ver, hablar e incluso (primitivamente) pensar. Pero trata de encontrar uno que huela. El problema es que las personas mismas subestiman el sentido del olfato. La mayoría de las criaturas en nuestro planeta son guiadas de muchas maneras por el olor, pero no somos una de estas criaturas. Immanuel Kant, por ejemplo, dijo que el olor es "el más inútil" de nuestros cinco sentidos básicos. En una encuesta de 2011, el 53% de las personas de 16 a 22 años dijeron que preferirían abandonar su sentido del olfato que un teléfono inteligente o una computadora.
Pero en los últimos años, se ha vuelto cada vez más evidente que el olor, si tiene una nariz adecuada para su percepción, puede ser una superpotencia real. Durante miles de años, las personas han usado perros para cazar animales y luego encontrar drogas y bombas. Y fue solo a principios de la década de 2000 que comenzamos a adivinar que en realidad podría haber muchas más aplicaciones para una buena nariz. Todo comenzó cuando los investigadores de repente se dieron cuenta de que nuestras mascotas podían oler los primeros signos de melanoma. Hay suficientes noticias en las noticias acerca de cómo este o aquel perro salvó a su amante al comenzar a gemir y tocar su pecho. Una de las colegas de investigación de Mershin, Claire Guest, se salvó cuando, en 2009, su perro Daisy de repente comenzó a empujar constantemente su nariz debajo de su seno, y Claire decidió consultar con el médico por si acaso.
Al final, resultó que hay 10 tipos de cáncer con un olor particularmente fuerte. Los más notables son el cáncer de mama, pulmón, ovario, próstata y colon. También resultó que los perros por el olor determinan la hora del día, el movimiento del aire en la habitación. Pueden sentir el enfoque de un episodio diabético en unas pocas horas, comprender el estado emocional de una persona sin ninguna pista visual. Y no solo los perros, gatos y otros animales también poseen tales "habilidades supranormales". Y gracias a una enfermera escocesa con una nariz muy hinchada, los científicos han aprendido recientemente que las personas con enfermedad de Parkinson comienzan a emitir un característico "olor a madera y almizcle", años antes de que se manifiesten los primeros síntomas.
Todo esto al final se obtiene no tanto sobre los perros como sobre el mundo que nos rodea. El mundo del que todavía sabemos tan poco. Eventos y enfermedades e incluso estados mentales resultan dejar una marca característica en el aire. Lo cual solo necesita aprender a distinguir. Resulta que el olor es a menudo la mejor manera de encontrar y distinguir ciertas cosas. Y el siguiente método a su vez es demasiado costoso (cromatografía / espectrometría), doloroso (biopsia) o casi irreal (lectura de pensamientos).
Imagine un automóvil (sensores + IA) que puede capturar y detectar aromas muchas veces mejor que un perro. Como mínimo, todos los hospitales querrán esto. Todas las compañías de perfumes. Idealmente, si los precios bajan, cada persona mayor de 45 años que está en riesgo de contraer una serie de enfermedades. Y aún más, con el desarrollo de la tecnología, quién sabe, tal vez aprendamos a identificar a un violador sexual o una persona que decidió matar por el olor en una multitud.
Desafortunadamente, no hemos desarrollado robots que puedan oler, porque el sentido del olfato sigue siendo un gran misterio biológico. Los científicos todavía están tratando de entender cómo sentimos todos estos compuestos volátiles, cómo separamos una molécula de otra y cómo nuestro cerebro puede clasificar toda esta información tan rápidamente. "Hay más preguntas que respuestas en esta área", se queja Hiroaki Matsunami, investigador de la Universidad de Duke.
Andrei Mershin, sin embargo, cree que no necesitamos una comprensión profunda de cómo huelen los mamíferos para construir una nariz artificial. Él pone el hecho de que todo será exactamente lo contrario. Para entender cómo funciona la nariz, primero tenemos que crearla. Con su brillante maestro, Shuguan Zhang, Andrei Mershin desarrolló un dispositivo del que incluso sus principales rivales, los perros, pueden aprender algo.
Teoría del olor
En mayo de 1914, Alexander Graham Bell se dirigió a los graduados de una escuela en Washington. El inventor del teléfono, de 67 años, era una persona bastante inusual, y su actuación también era diferente de la "adultez" de despedida estándar. En cambio, les dio a los estudiantes una serie de preguntas, sugirió áreas de investigación que podrían dar frutos si uno de los jóvenes abordara seriamente este tema. Una de sus preguntas fue "¿Puedo oler?":
¿Qué es el aroma? ¿Es la emisión de partículas físicas en el aire, o es una forma de vibración, como el sonido? Si se trata de radiación, debería poder pesarla, y si se trata de vibración, puede intentar reflejarla desde el espejo. Si tiene la ambición de descubrir un nuevo campo de la ciencia, intente medir el olor.
Ha pasado más de un siglo, pero nadie ha resuelto este acertijo de Bell. Y todavía se debate si el olor es una vibración o una reacción química entre partículas. (La teoría de la vibración es mucho más controvertida, pero nadie comprende el sentido del olfato tan bien que puede eliminarse por completo). De hecho, solo recientemente, en 1991, los científicos pudieron estudiar los factores genéticos y fisiológicos básicos de la percepción del olor en los mamíferos.
Luego, los biólogos Linda Buck y Richard Axel publicaron su trabajo sobre 1000 genes que son responsables de alrededor de mil receptores olfativos en ratones. Resultó que todos ellos se encuentran en el epitelio en la parte superior de la cavidad nasal, exactamente en el lugar donde comienza el cráneo. Cuando respiramos profundamente, las moléculas pasan por estos receptores, y los excitados envían una señal a nuestro cerebro. Pero incluso esto, según los científicos, solo muestra cómo comienza la percepción de (algunos) olores. Y cómo se produce la interacción con los receptores tampoco está del todo claro.
Además, la cantidad de receptores que descubrieron creó un problema matemático. Los humanos tienen alrededor de 400 de estos receptores olfativos, 2.5 veces menos que los ratones. Pero podemos oler alrededor de 10,000 olores diferentes. Como es eso
Buck y Axel presentan la teoría de que el olor es una cuestión de combinaciones. Cada receptor solo es responsable de capturar ciertas moléculas, y olemos un olor característico cuando varios receptores diferentes se "encienden" al mismo tiempo. El investigador John Kayer compara esta teoría con tocar el piano:
El piano tiene solo 88 teclas. Si cada tecla fuera responsable de un olor, podría sentir solo 88 olores diferentes. Obviamente este no es el caso. Pero si los olores son como acordes, las matemáticas comienzan a tomar forma.
Buck y Axel recibieron el Premio Nobel en 2004 por su trabajo. Ahora Mershin y otros científicos siguen sus pasos: tomaron como postulado que el olor es solo una lista de moléculas que la piel de nuestra nariz registra y transmite a nuestro cerebro. Si desea comprender el olor a ajo, solo necesita desmontar sus componentes químicos. Y en algún lugar de estas moléculas, en su conjunto específico, se explica la historia de este olor.
Inmersión en el mundo de los aromas. Primer cuentakilómetros
No pasó mucho tiempo después de la publicación de Axel y Buck, ya que comenzó un trabajo serio sobre la creación de una nariz artificial. DARPA , responsable del desarrollo de nuevas tecnologías para el Ejército de los EE. UU., En 1997 asignó $ 25 millones al proyecto. Querían reemplazar a los perros en asuntos de búsqueda de minas. El programa se llamaba "Nariz de perro". La agencia financió equipos de científicos en todo el país para construir máquinas de inhalación y llevarlas al campo en Missouri para realizar pruebas. La tierra estaba salpicada de todos los tipos posibles de minas, desde pequeños dispositivos de fragmentación destinados a derrotar a una persona hasta unidades fuertes diseñadas para socavar un tanque.
Pisar las minas, por supuesto, era seguro, fueron neutralizadas. Pero, sin embargo, una carga permaneció en ellos (después de todo, deberían haber sido encontrados por el olor), y por lo tanto podrían explotar, digamos, si un rayo los golpeara. John Kayer, uno de los participantes en ese programa, dice que tuvieron que evacuar tan pronto como vieron signos de una tormenta que se acercaba.
Para las pruebas, Kayer construyó un dispositivo gris del tamaño de una caja de zapatos. Lo llamó ScenTrak (ahora su versión mejorada, por cierto, se vende en línea). No había receptores reales en él. En cambio, estaba lleno de largas cadenas de moléculas (polímeros) que Kayer sabía que reaccionarían a DNT, la molécula que ocurre en la mayoría de las minas. Si hubo explosivos cerca de ScenTrak, el DNT se unió a los polímeros y enviaron una señal. La caja comenzó a gritar "¡Mina!".
Bueno, así es como funcionó en condiciones ideales. En el laboratorio, la máquina sintió perfectamente el "olor" de la molécula de DNT. Pero en el campo, con aire fresco, viento y polvo, su dispositivo no funcionaba bien. Los polímeros reaccionaron a todo: DNT, clima, plantas, algunos tipos de suelo.
ScentrackOtros dispositivos que participan en la competencia (uno llamado Fido, el otro Cyranose) funcionaron con el mismo principio. Todos ellos usaron polímeros sensibles a ciertas sustancias. Y todos ellos tenían serias limitaciones, solo funcionaban bajo condiciones estrictamente definidas. (El más exitoso, por cierto, fue Fido , que ahora se usa en los puntos de control para detectar explosivos a muy corta distancia).
Sin embargo, todo esto difícilmente podría llamarse sentido del olfato, al igual que no se puede decir que el detector de monóxido de carbono, que incluye una alarma, "huele a humo". Además, por alguna razón, todos estos sensores funcionan muy mal en un entorno con muchos olores, dando constantemente señales de falsos positivos, incluso si no hay explosivos cerca.
Ahora los científicos piensan que la razón está en la teoría demasiado primitiva sobre la cual se construyeron estos dispositivos. La idea de principios de los 90 sobre moléculas y receptores calculados para ellos es, de hecho, solo la punta del iceberg. Resulta que a veces las moléculas con una forma idéntica tienen un olor completamente diferente. Y a veces las sustancias, cuyas moléculas no se parecen en nada a nada, nos huelen igual. En otras palabras, la forma y composición de las moléculas no siempre determina el aroma.
Ahora la teoría se ha complementado, se ha hecho aún más difícil (y todavía no se entiende bien). En resumen, cada receptor " ama " ciertas moléculas más, pero es capaz de capturar casi todo. Constantemente se forman nuevas combinaciones de moléculas ensambladas en nuestra nariz, y esta combinación de datos de todos nuestros receptores determina cómo huele. El piano no solo tiene 88 teclas con acordes, también tiene pedales y altavoces. El Dr. Zhang dice:
Puede presionar cada una de las teclas del acorde con diferentes puntos fuertes. Débilmente, obtienes un sonido, más potente, otro.
En general, la teoría del olfato resultó ser tan compleja que incluso las personas tienen pocas ganas de asumirla. Todavía es posible determinar una molécula, pero sentir un conjunto específico de ellas, e incluso con la intensidad deseada, e incluso si esta intensidad fuera diferente para cada molécula ... Brr. No gracias
Dr. Zhang
Mershin y Zhang son una pareja extraña pero armoniosa. Mershin rara vez sigue el mismo camino dos veces. Cuando nos perdimos en el camino desde la cafetería del MIT a su oficina, admitió que esto le sucede regularmente. Además, está perdido "en pensamientos también, no solo geográficamente, sino también intelectualmente". En sus propias palabras, es disléxico, sinestésico, daltónico al rosa y gris, no recuerda la cara, tiene un trastorno por déficit de atención. A veces se olvida la dirección de su casa. También es vorazmente curioso y ansioso por cualquier conocimiento nuevo.
Una vez, para comprender el significado de los aromas, desarrolló un juego para sus hijos en el que tenían que empapar una bola de algodón con perfumes, vendarse los ojos y luego tratar de encontrarlo. Además de los olores, ahora está ocupado construyendo casas en Namibia con hongos y formas de eliminar metales pesados del agua. "No puedo hacer una cosa. Pero me gusta trabajar con personas que están muy centradas en su objetivo y han aprendido a hacer algo específico mejor que nadie en el mundo ".
Zhang es solo una persona así. Si Mershin está constantemente bullicioso, Zhang siempre está tranquilo y concentrado. Él cree que para lograr algo, uno debe profundizar en un proyecto, una pregunta. Él ha estado estudiando el sentido del olfato desde 2003, tratando de entender los receptores y su trabajo. Han pasado décadas desde la publicación de Buck y Axel, pero hasta ahora nadie ha podido mirarlas, ya sea bajo un microscopio o mediante cristalografía de rayos X. Esta es una de las razones por las cuales el sentido del olfato sigue siendo un misterio. No podemos ver al nivel más primitivo qué hacen exactamente estos receptores. ¿Se unen las moléculas a sí mismos? Como? ¿Factores como la humedad del aire u otras sustancias afectan su trabajo? Nadie lo sabe
Zhang pasó muchos años desarrollando un método para ver el receptor. Por lo que sabe, estas son proteínas de membrana con una estructura muy compleja. Cada uno es como un hilo largo que envuelve y pasa a través de una membrana que separa la célula del mundo exterior. Si este patrón complejo se modifica un poco, el receptor no funcionará. Incluso si inclina o voltea dicha proteína receptora, se negará a cumplir su función.
Aproximadamente la mitad del receptor está fuera de la célula, lista para aceptar nuevas moléculas. Cuando se adhiere a él, cambia de forma y la célula envía una señal al cerebro.
Para comprender algunos de estos hechos y para descubrir la estructura exacta del receptor, Zhang trabajó desde 2003. Pero hasta ahora no ha visto uno con sus propios ojos: reaccionan demasiado negativamente a cualquier entorno externo. Y son demasiado pequeños.
Pero el trabajo de Shuguang Zhang no fue en vano. Cuando DARPA lanzó un nuevo proyecto en 2007, RealNose, para buscar el olor a explosivos improvisados en Irak y Afganistán. Esta vez, los polímeros y otras drogas artificiales que imitan el trabajo de los receptores no fueron buenos. Las condiciones eran demasiado duras y había demasiados olores. Los científicos tuvieron que construir un dispositivo basado en el viejo sentido del olfato de los mamíferos.
Zhang realmente quería obtener tal subvención. Su laboratorio era uno de los literalmente dos o tres en el mundo que se ocupaba de este problema. Pero Mershin no quería ser restringido. "Durante muchos meses me rebelé, les dije en DARPA que usar receptores reales es un requisito estúpido". ¿Por qué se necesitaba una estructura biológica si era mucho más fácil trabajar con estructuras artificiales? Al menos no dejaban de funcionar si estaban inclinados o volcados. "¡Queremos volar como pájaros, pero no construimos alas de plumas y fuselajes!"
Pero el monto de la subvención militar era muy grave, y Andrei tuvo que soportarlo.
Carrera con DARPA
Mershin y Zhang decidieron que tratarían de cultivar receptores reales en su laboratorio y luego, de hecho, los untarían en una placa de circuito impreso. Pensaron, estadísticamente, que si pegaban suficientes receptores, algunos de ellos sobrevivirían, y con orientación en la dirección correcta. Luego sacarían corriente a través del tablero. Cuando los receptores responderían a compuestos volátiles, cambiarían su forma, como en una nariz normal. Habría una oleada.
Este prototipo todavía está en el laboratorio de Mershin: una botella de plástico con dos boquillas metálicas sostenidas por resina epoxi. Desde allí hay cables conectados a un pequeño chip. Obviamente, se vertió una sustancia con olor en la botella, y esto de alguna manera debería afectar la corriente.
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Andrei Mershin no está preocupado por esto. En cambio, él, constantemente hambriento de nuevas experiencias, está más asustado por el mundo en el que los dispositivos se desarrollan y envían aromas especialmente para usted. “Apoyo cualquier tecnología que te huela. Pero sería muy cuidadoso con esas tecnologías que quieren que las huela ". “No dejes que los dispositivos comiencen a obstruir tu cabeza con aromas. Una muy mala idea. En otras palabras, deje que el teléfono inteligente sea su perro y usted, su dueño. Y no al revés.
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