電子鼻：未來的疾病診斷專家

方陵生

2050年，你可能每個月定期會做一次體檢。但這時，你已不再需要做包括靜脈穿刺采血等各種痛苦而煩瑣的檢查，也不需要等待一周才能看到你的血液檢測結果。你只要坐著不動，從你口鼻中呼出的，或從你的體內釋放出來的揮發性分子會慢慢進入復雜的人工智能儀器，它就是被稱為“深鼻”的未來的電子鼻“醫生”。“深鼻”對收集到的人體發出的氣體分子進行分析，并將其與龐大的嗅覺數據庫進行比較，將氣味與導致這些氣味產生的各種病癥進行對比匹配，生成并打印關于你的健康狀況的診斷結果。醫生會根據檢查結果，制訂相應的治療方案或進行藥物調整。

“氣味指紋”診斷疾病

上文所提及的內容，是研究人類嗅覺系統工作原理的美國冷泉港研究所實驗室研究員阿列克謝·庫拉科夫向我們展示的有關未來醫療保健的一個場景。阿列克謝·庫拉科夫是一位神經科學家，他正在研究人類如何感知氣味，并根據氣味的“可聞”特性對數百萬揮發性分子進行分類。他計劃將現有的氣味編入一個綜合性人工智能網絡。該網絡一旦建成，“深鼻”將能夠識別某個人特有的氣味，也能識別醫學上或其他領域內為人們感興趣的任何其他氣味。而能為你識別氣味并作出診斷的將是一塊計算機芯片。因為氣味具有唯一性，能識別一個人或一種物品，所以未來的“深鼻”還能幫助邊境巡邏隊對旅客、貨物或爆炸物進行排查。在機場，你甚至都不用出示護照。屆時，醫生診斷病情也變得輕松多了，患者也可免去許多痛苦且煩瑣的檢查。

那么，氣味真的能夠說明一個人的健康狀況嗎？當然可以，氣味能夠透露很多信息。與阿列克謝·庫拉科夫合作進行嗅覺研究的紐約大學神經生物學家德米特里·林伯格認為，空氣中的氣味分子含有非常豐富的信息。氣味作為一種信息源非常有用，研究人員正在研究如何將豐富的氣味信息用于病情診斷。

最新研究發現，許多疾病，包括癌癥、肺結核和帕金森病，都可以通過揮發性化合物改變人的氣味。我們的身體會釋放代謝產物，其中一些分子是揮發物，成為人體釋放的氣味的一部分，或被稱為“氣味指紋”。當人生病時，身體的代謝功能會產生變化，會釋放出一些與以往不同的揮發性分子，我們的“氣味指紋”也會隨之發生變化，這些“氣味指紋”會攜帶我們健康狀況的信息。例如，帕金森病患者的皮膚皮脂腺會分泌一種蠟狀富含油脂的生物液體，敏感的“深鼻”可以從稀薄的空氣中檢測發現它的存在。電子鼻“嗅聞”診病可以讓醫生更早、更容易地發現疾病，甚至可以避免一些侵入性的診斷方式。這將從根本上改變醫療診斷系統。

嚙齒動物在嗅聞戊酸甲酯時的大腦神經元活動。戊酸甲酯是一種散發水果味的化學物質。嚙齒動物的大腦神經元被植入了熒光蛋白，神經元活躍時，熒光蛋白會改變顏色，深紅色對應更活躍的大腦活動。

中醫使用“望聞問切”的診病方法，他們的鼻子就是診斷工具之一。帶有難聞氣味的傷口可能意味著它已被感染，而口臭則是多種疾病的征兆。然而，今天的醫生們通常不用嗅聞來為患者診斷，這是因為人類的嗅覺能力在退化，遠不如我們靈長類的祖先。如今，我們只保留了350種還在起作用的嗅覺感受器。嗅覺感受器也被稱作“嗅覺受器”、“嗅覺受體”或“氣味受體”。保留下來的嗅覺感受器通過不同的組合，讓我們能夠聞到各種各樣的氣味，但其余的感受器已經退化不再起作用。而狗大約有850種嗅覺感受器，老鼠約有1100或1200種。因此，與人類相比，這些動物能夠辨別更多種類的氣味，甚至包括我們身體機能失常時所產生的氣味。

如今，科學家們正在利用動物強大的嗅覺能力來為我們診斷疾病，并取得了一些有文獻記載的成功例子。最近，幾家研究機構的科學家展示了他們的研究成果，他們訓練的3只比格犬通過嗅聞患者血液樣本來檢測其中的肺癌細胞，準確率高達97%。此外，《英國醫學雜志》上發表的一項研究表明，狗能夠通過嗅聞糞便的氣味來檢測患者是否患有結直腸癌。同時，另一篇論文還描述了狗如何嗅聞出卵巢癌的氣味。在撒哈拉以南的非洲，一種非洲巨鼠被訓練成為“結核病診斷專家”，它們可以從患者的痰樣本中嗅聞診斷結核病，借助巨鼠鼻子可極大地提高醫生的診斷準確率。

但是，利用動物進行疾病診斷也存在一些問題。首先，必須對它們進行訓練。訓練這些壽命不長的動物既昂貴又耗時，想要給它們的氣味分析庫再添加另一種疾病的氣味，就必須再次訓練它們。其次，使用動物進行實際診斷的可行性是非常有限的。

電子鼻未來可期

因此，科學家們開始思考利用電子鼻的可能性。構建一種不會像動物一樣在幾年后死亡的人工嗅探器，配備可定期更新的專用標準軟件，將是一種更為經濟的選擇。這就是阿列克謝·庫拉科夫設想的“深鼻”，一種電子嗅覺人工智能。它可以像鼻子一樣捕捉氣味，也可以像大腦一樣對氣味進行解釋，要做到這一切，“深鼻”需要模仿人腦的神經機制。但是，目前科學家們還未弄清楚人腦識別不同氣味的內在機制。

從生物學的角度來看，嗅覺行為比我們的視覺能力更復雜，也更難理解。識別一種氣味是一個精確而復雜的過程。在這個過程中，化學、生物學和物理學必須共同“奏響”一曲“協奏曲”。無論你是在品味玫瑰的怡人香氣，還是捏著鼻子處理一堆難聞的狗屎，都會經歷這個復雜的過程。

研究表明，狗可被訓練用來檢測與疾病，包括癌癥和肺結核相關的特殊氣味。但從長遠來看，“嗅探”氣味的人工智能將會更加經濟有效。

在你的鼻腔里，數以百萬計的嗅覺神經元在等待下一個氣味分子進入。這些神經元有著微小的手指狀突起，它們被稱為“纖毛”。鼻上皮組織表面覆蓋著一層黏液，纖毛就懸浮在這些黏液中。神經元的另一端是軸突，軸突向上伸展，穿過顱骨內的特殊通道，一直通向大腦中一個叫作“嗅球”的區域。這個大腦區域因其形似洋蔥而得名。氣味分子進入鼻腔，與纖毛結合，鼻腔里的嗅覺神經元將這些信息傳送到大腦嗅球，由嗅球進行解釋，從而產生我們的嗅覺感知。同時，嗅覺神經元將這些信號傳遞給大腦嗅覺皮層，由嗅覺皮層的神經機制來確定氣味的濃淡程度。

一些分子與某些嗅覺感受器結合，但不與其他嗅覺感受器結合。這取決于氣味分子與受體的具體組合，我們會聞到玫瑰的香味或狗屎的難聞氣味，但氣味分子與嗅覺感受器的組合非常復雜，即使是看似簡單的“握手”也是神秘難測。有一些科學家相信“空間結合理論”，即不同的氣味分子適合于不同物理形態的嗅覺感受器。此外，還有一些科學家支持“振動理論”，認為嗅覺感受器通過檢測分子的振動頻率將其“轉化”為氣味信息。

但不管哪種理論被證明是正確的，“深鼻”研究者仍然面臨巨大的挑戰。模擬鼻腔中神經元的電子鼻需要配備一些化學傳感器，這些傳感器與進入的氣味分子相互作用，檢測它們的存在，隨后向電子大腦——“深鼻”發送電信號，對檢測到的分子作出解釋。在阿列克謝·庫拉科夫的設想中，電子鼻應是一個多層網絡，能夠識別不同的氣味分子，以及其中不同的化學基團。

現代科技可讓研究人員觀察嗅聞氣味時大腦內部神經元的活動情況，觀察大腦嗅覺區對氣味的反應，但這類研究需要腦部手術和基因操作，所以只能讓老鼠等實驗動物為我們提供幫助。德米特里·林伯格的研究小組使用的是轉基因小鼠，它們的嗅覺神經元經過熒光蛋白染色處理，當它們對氣味有反應時，熒光蛋白會發光。研究人員可以通過植入嚙齒動物頭骨的觀察窗來同步觀察這個過程。例如，玫瑰的香味刺激27號、72號和112號嗅覺感受器，而狗糞氣味刺激其他不同的嗅覺感受器亞群。同時，他們還發現玫瑰和狗糞的氣味實際上還激活了一些相同的嗅覺感受器。

科學家們系統收集這些大腦神經元的激活模式，以破解嗅覺感受器與氣味分子的組合密碼。特定的神經元組合對特定的氣味分子產生反應，包括對人體在健康狀態下和生病狀態下所產生不同氣味的反應。

阿列克謝·庫拉科夫認為，疾病很可能通過多種揮發性分子產生的混合氣味表現出來，因此嚙齒動物的能力在這里能夠表現得尤其突出，它們有著出色的嗅覺感受器，其數量是我們的3倍，使它們可以聞到比我們多得多的混合氣味。它們可以幫助訓練電子鼻適應由人體發出但人類自身無法察覺的各種氣味。研究人員可以繪制出老鼠大腦中對不同癌癥氣味作出反應的確切神經元的結構模式圖，用收集到的老鼠大腦中神經元對氣味反應的數據信息來訓練“深鼻”。

電子嗅覺診斷疾病要真正走進我們的生活，大概還要幾十年。現有的技術已經可以觀察到實驗動物經過著色的神經元反應，但是模擬鼻腔內嗅覺神經元與氣味分子結合所需的技術——檢測我們代謝物的化學傳感器還沒有發明出來。一旦這項工作完成，構建一個電子鼻來發現健康問題就相當簡單了。