Řešení 100 let staré výzvy by mohlo vést k digitálním příchutím

Vůně – slibná tajemství, intriky a zakázané vzrušení – mísí mistři parfémy a jejich recepty jsou utajeny. V nové studii o čichu se vědcům z Weizmannova vědeckého ústavu podařilo odstranit velkou část skládačky i ze složitých směsí vonných látek tím, že neodhalili jejich tajné přísady, ale spíše zaznamenali a zmapovali jejich vnímání. Vědci nyní mohou předpovídat, jak bude vůně komplexní látky páchat, pouze na základě její molekulární struktury. Tato studie může nejen převratem v uzavřeném světě parfumerie, ale v konečném důsledku vést k tomu, že pachy lze digitalizovat a reprodukovat na povel. Navrhovaný rámec pro pachy, který vytvořili neurobiologové, počítačoví vědci a mistři parfémy a který byl financován z evropské iniciativy pro budoucí technologie (FET-OPEN), byl publikován Příroda.

„Výzvu organizovat a logicky prezentovat pachy poprvé navrhl Alexander Graham Bell před více než 100 lety,“ říká profesor Noam Sobel z neurobiologického ústavu ústavu. Bell odhodil rukavice: „Máme spoustu různých pachů, od pachu fialky a růží až po asafoetidu. Ale dokud nemůžete měřit jejich podobnosti a rozdíly, nemůžete mít vědu o zápachu. “Tato výzva ještě nebyla vyřešena.”

Tato staletá výzva skutečně zdůraznila obtížnost přizpůsobení pachů logickému systému: naše nosy obsahují miliony čichových receptorů složených ze stovek různých podtypů, z nichž každý je tvarován tak, aby rozpoznal určité molekulární charakteristiky. Naše mozky mohou vnímat miliony pachů, ve kterých jsou tyto jednotlivé molekuly smíchány a smíchány s různou intenzitou. Mapování těchto informací proto bylo výzvou. Ale Sobel a jeho kolegové pod vedením doktorandů Aharona Ravie a Dr. Kobi Snitz, zjistil, že pachy mají základní pořadí. Došli k tomuto závěru tím, že přijali Bellův koncept – nepopisovali samotné vůně, ale vztahy mezi vůněmi, jak jsou vnímány.

V sérii experimentů tým představil dobrovolníkům páry vůní a požádal je, aby tyto vůně hodnotili na základě toho, jak podobné si tyto dvě vůle navzájem připadají, a hodnotil dvojice na škále podobnosti od „identické“ po „extrémně odlišné“. V prvním experimentu tým vytvořil 14 aromatických směsí, z nichž každá se skládala z přibližně 10 molekulárních složek, a představil je po dvou před téměř 200 dobrovolníky, takže na konci experimentu každý dobrovolník hodnotil 95 párů .

Chcete-li přeložit výslednou databázi s tisíci ohlášených hodnocení vjemové podobnosti do užitečného uspořádání, tým vylepšil dříve vyvinuté fyzikálně-chemické opatření. V tomto výpočtu je každý odorant reprezentován jediným vektorem, který kombinuje 21 fyzikálních opatření (polarita, molekulová hmotnost atd.). Pro porovnání dvou vonných látek, z nichž každá představuje vektor, je úhel mezi vektory vzat tak, aby odrážely vjemovou podobnost mezi nimi. Dvojice odorantů s malou úhlovou vzdáleností mezi nimi se předpovídá podobně, ty s vysokou úhlovou vzdáleností mezi nimi se předpovídají odlišně.

Při testování tohoto modelu jej tým nejprve použil na data shromážděná od ostatních, zejména na velkou studii o diskriminaci pachů, kterou provedli Bushdid a jeho kolegové v laboratoři profesora Leslie Vosshalla v Rockefellerově institutu v New Yorku. Weizmann tým zjistil, že jejich model a měření přesně předpovídaly výsledky Bushdid: odoranty s úzkými úhlovými rozestupy mezi nimi bylo obtížné rozlišit; Pachy s velkými úhlovými vzdálenostmi byly snadno rozeznatelné. Tým, který byl povzbuzen modelem k přesné předpovědi údajů shromážděných od ostatních, pokračoval v testování pro sebe.

Tým vynalezl nové vůně a vyzval novou skupinu dobrovolníků, aby jim voněla. Přitom znovu použila svou metodu k předpovědi, jak by tato skupina účastníků hodnotila páry – nejprve 14 nových mixů a poté 100 mixů v dalším experimentu. Model si vedl výjimečně dobře. Ve skutečnosti byly výsledky ve stejném rozsahu jako u vnímání barev – smyslové informace založené na přesně definovaných parametrech. To bylo obzvláště překvapivé vzhledem k tomu, že každý jedinec pravděpodobně bude mít jedinečný doplněk podtypů čichových receptorů, který se u jednotlivců může lišit až o 30%.

Tato sada nástrojů nejen předpovídá, jak nová vonná látka bude páchnout, ale může také syntetizovat vonné látky záměrně.

Protože „čichová mapa“ nebo „metrická“ předpovídá podobnost jakýchkoli dvou odorantů, lze ji také použít k předpovědi toho, jak vůně nakonec voní. Například jakýkoli nový odorant, který je od 0,05 radiánů nebo méně od banánu, bude cítit přesně jako banán. Když se nová vonná látka vzdaluje od banánu, páchne jako banán a po určité vzdálenosti přestává připomínat banán.

Tým v současné době vyvíjí webový nástroj. Tato sada nástrojů nejen předpovídá, jak nová vonná látka bude páchnout, ale může také syntetizovat vonné látky záměrně. Například si můžete vzít jakýkoli parfém se známou sadou ingrediencí a pomocí mapy a metriky vytvořit nový parfém, který nemá žádné složky společné s původním parfémem, ale má přesně stejný zápach. Takové výtvory v barevném vidění, jmenovitě nepřekrývající se spektrální kompozice, které produkují stejnou vnímanou barvu, se nazývají barevné metamery, a to je místo, kde tým vytvořil čichové metamery.

Výsledky studie jsou důležitým krokem k uskutečnění vize profesora Davida Harela z Katedry počítačů a aplikované matematiky, který působí také jako viceprezident Izraelské akademie věd a byl spoluautorem studie: Povolení počítačů digitalizovat a reprodukovat pachy. Možnost přidat realistické květinové nebo mořské příchutě vašim fotografiím z dovolené na sociálních médiích navíc může počítačům umožnit interpretovat pachy, jako to dělají lidé, což může ovlivnit monitorování životního prostředí, stejně jako biomedicínský a potravinářský průmysl. Mistr parfémér Christophe Laudamiel, který je také spoluautorem studie, však poznamenává, že se o svou profesi dosud nestaral.

Sobel shrnuje: „Před 100 lety byl Alexander Graham Bell výzvou. Nyní jsme odpověděli: vzdálenost mezi růžovou a fialovou je 0,202 radiánů (jsou si vzdáleně podobné), vzdálenost mezi fialovou a asafoetidou je 0,5 radiánu (jsou velmi odlišné) a rozdíl mezi růžovou a asafoetidou je 0,565 radiánů (oni) jsou ještě více odlišné). Převedli jsme čichové vjemy na čísla a to by skutečně mělo pokročit v čichové vědě. “

Odkaz: „Čichové opatření umožňuje tvorbu čichových metameru“ autorů Aharon Ravia, Kobi Snitz, Danielle Honigstein, Maya Finkel, Rotem Zirler, Ofer Perl, Lavi Secundo, Christophe Laudamiel, David Harel a Noam Sobel, 11. listopadu 2020, Příroda.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2891-7

Noam Sobel je ředitelem Azrieliho národního institutu pro zobrazování a výzkum lidských mozků; Jeho výzkum podporuje také Norman and Helen Asher Center for Human Brain Imaging. laboratoř Nadia Jaglom pro výzkum neurobiologie čichu; fond Roba a Cheryl McEwenových pro výzkum mozku; a Sonia T. Marschak. Prof. Sobel je současným předsedou neurobiologie Sary a Michaela Sely.

Výzkum profesora Davida Harela je podporován pozůstalostí Emile Mimrana. Harel je držitelem katedry matematiky Williama Sussmana.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Lipidy na membráně mozkových buněk jsou kvůli léčbě Alzheimerovy choroby většinou přehlíženy

Byly vytvořeny vazby mezi lipidovou nerovnováhou a onemocněním, kdy změny lipidů zvyšují tvorbu amyloidových plaků, což je rys Alzheimerovy choroby. Tato nerovnováha inspirovala...

Astrofyzici jsou překvapeni neočekávanými účinky černých děr mimo jejich vlastní galaxie

Umělecká kompozice supermasivní černé díry, která reguluje vývoj jejího prostředí. Autor obrázku: Gabriel Pérez Díaz, SMM (IAC) a Dylan Nelson (Illustris-TNG) Ve středu téměř každé...

Největší australský dinosaurus – jižní titán – právě vstoupil do knih rekordů!

Australotitan cooperensis, „Southern Titan of the Cooper“. Fotografický kredit: Vlad Konstantinov, Scott Hocknull © Eromanga Natural History Museum Co je to basketbalové hřiště tak...

„Paralelní reaktory“ na bázi fotonických krystalových vláken odhalují kolektivní analogie hmotných a solitárních molekul

A. Schéma paralelních optických solitonových reaktorů založené na dutině prstencového vláknového laseru s režimem blokování. Časová optomechanická (OM) mříž umožněná fotonickými krystalovými...

Drsná kůra, která se v noci ozývá, vede k objevení nových druhů

V lesích západní a střední Afriky se v noci ozývají hlasitá volání hybridů stromů - malých, býložravých savců, ale jejich zvuk se liší podle...

Newsletter

Subscribe to stay updated.