في عام 2050 لن تكون مضطرا لتحمل إبرة في الوريد وأسبوع من انتظار نتائج فحص الدم، وذلك بفضل ذكاء جهاز “Deep Nose”.
بدلاً من ذلك، ترحب بك الممرضة بقولها، “سوف يشمك الطبيب الآن”، وتأخذك إلى غرفة محكمة الإغلاق موصولة بجهاز كمبيوتر ضخم.
أثناء الراحة، تنجرف الجزيئات المتطايرة التي تخرجها أو تنبعث من جسمك وجلدك ببطء إلى جهاز الذكاء الاصطناعي المعقد، والمعروف بالعامية باسم “Deep Nose”.
خلف الكواليس، يبدأ الدماغ الإلكتروني الهائل لـ Deep Nose في اختراق الجزيئات، ومقارنتها بقاعدة بيانات الشم الهائلة.
بمجرد أن يصبح الأمر مزعجًا، يطابق الذكاء الاصطناعي روائحك مع الظروف الطبية التي تسببها ويصدر نسخة مطبوعة عن صحتك.
يتابع طبيبك النتائج معك ويخطط لعلاجك أو يعدل أدويتك.
هذه هي الطريقة التي يتصور بها أليكسي كولاكوف، الباحث في مختبر كولد سبرينغ هاربور، الذي يدرس كيفية عمل نظام حاسة الشم البشري، مستقبلًا محتملاً لرعايتنا الصحية.
عالم فيزياء تحول إلى عالم أعصاب، يعمل كولاكوف على فهم كيفية إدراك البشر للروائح وتصنيف ملايين الجزيئات المتطايرة من خلال خصائصها “القابلة للرائحة”.
ويخطط لتصنيف الروائح الموجودة في شبكة ذكاء اصطناعي شاملة.
بمجرد بنائه، سيكون جهاز “Deep Nose” قادرًا على التعرف على روائح أي شخص أو أي باقة شمية أخرى ذات أهمية – لأسباب طبية أو لأسباب أخرى.
يقول كولاكوف:”ستكون شريحة يمكنها تشخيصك أو التعرف عليك”.
تحدد الرائحة بشكل فريد الشخص أو البضائع، لذلك يمكن لـ Deep Nose أيضًا المساعدة في دورية الحدود، أو استنشاق المسافرين، أو البضائع، أو المتفجرات.
“بدلاً من إبراز جوازات السفر في المطار، يمكنك تقديم نفسك فقط”، وستصبح زيارات الطبيب سهلة – بالمعنى الحرفي للكلمة.
يمكن للرائحة أن تخبرنا الكثير على ما يبدو، عن صحة المرء.
“المعلومات التي يمكن الحصول عليها من الجزيئات المحمولة جواً غنية بشكل مذهل”، كما يقول ديمتري رينبيرج، وهو أيضًا فيزيائي سابق وعالم أعصاب في جامعة نيويورك يتعاون مع كولاكوف في أبحاث الشم.
“إنها مفيدة للغاية لدرجة أنه يمكنك تحديد نوع البيرة التي شربها الناس في الحانة الليلة الماضية.”
ويضيف أن الرائحة يمكن أن تكشف عن أشياء أخرى تحدث في الجسم.
لذلك نحن نحاول استخدام هذه المعلومات في مناهج التشخيص القائمة على الرائحة.
وجدت الأبحاث الحديثة أن العديد من الأمراض، بما في ذلك السرطان والسل ومرض باركنسون، يمكن أن تظهر من خلال المركبات المتطايرة التي تغير رائحة الشخص.
تطلق أجسامنا نواتج أيضية – منتجات من أنشطتنا الأيضية.
بعض هذه الجزيئات متطايرة وتصبح جزءًا من رائحتنا أو “بصمة الرائحة”.
عندما نمرض أو نبدأ في تطوير مرض ما، تبدأ عمليات التمثيل الغذائي لدينا في العمل بشكل مختلف، وتنبعث منها جزيئات متطايرة مختلفة أو خليط منها، لذلك تتغير بصمة رائحتنا أيضًا.
يقول كولاكوف: “تحمل هذه الجزيئات معلومات عن حالتنا الصحية”.
على سبيل المثال، ينتج المرضى المصابون بمرض باركنسون كمية عالية بشكل غير عادي من الزهم، وهو سائل حيوي شمعي غني بالدهون تفرزه الغدد الدهنية في الجلد، والتي يمكن للأنوف الحساسة اكتشافها.
يمكن أن يأخذ جهاز “Deep Nose” هذه المعلومات من فراغ.
يمكن أن يسمح ذلك للأطباء باكتشاف المرض بشكل أسرع وأسهل، وربما تجنب بعض إجراءات التشخيص الغازية.
يقول كولاكوف: “سيحدث ثورة في نظام التشخيص بشكل أساسي”.
استخدم أبقراط وجالينوس وابن سينا وأطباء آخرون في العصور القديمة أنوفهم كأدوات تشخيصية.
حيث أن الجرح برائحة كريهة يمكن أن يعني أنه ملتهب.
ورائحة الفم الكريهة إشارة إلى مجموعة من الأمراض.
اليوم، لا يشم الأطباء مرضاهم – لأن رائحة البشر عامة.
ففي الواقع، نحن أسوأ من أسلافنا عندما يتعلق الأمر بالشم.
امتلك أسلافنا حوالي 850 نوعًا من المستقبلات الشمية، لكننا احتفظنا بـ 350 نوعًا عاملاً فقط، والتي تسمح لنا في مجموعات مختلفة بشم كمية فلكية من الروائح.
وفي الوقت نفسه، تمتلك الكلاب حوالي 850 نوعًا من المستقبلات والفئران حوالي 1100 أو 1200،
لذا فهي قادرة على تمييز أكبر بكثير مجموعة متنوعة من الروائح – بما في ذلك تلك التي تنتج عن خلل في أجسادنا.
يستخدم العلماء الآن هذه الثروة من حاسة الشم لتشخيص المرض – مع بعض النجاح الموثق والدراسات التي راجعها الأقران.
في الآونة الأخيرة، عرضت مجموعة من العلماء من عدة مؤسسات بحثية نتائج تدريبهم لثلاثة بيجل على شم عينات دم المرضى واكتشاف خلايا سرطان الرئة فيها بدقة تصل إلى 97٪.
وذكرت دراسة نُشرت في المجلة الطبية البريطانية أن الكلاب تمكنت من الكشف عن سرطان القولون والمستقيم عن طريق شم البراز.
ورقة أخرى في BMC Cancer وصفت الكلاب التي تشتم سرطان المبيض.
وقد تم تعليم الجرذان الأفريقية العملاقة للعمل كـ “مشخصين لمرض السل” في أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى، واستنشاق عينات البلغم من المرضى.
يمكن أن تختلف دقة الكشف عن المجهر من حوالي 20 إلى 80 بالمائة.
لكن خبراء تشخيص الحيوانات لديهم مشاكلهم:
أولاً، يجب تدريبهم، وتدريب أعداد كبيرة من الحيوانات التي لا تعيش طويلاً أمر مكلف ويستغرق وقتًا طويلاً وغير مجدي إلى حد ما.
بالإضافة إلى ذلك، في كل مرة تريد فيها إضافة رائحة مرض أخرى إلى ترسانتها التحليلية، عليك تدريبهم على جميع الروائح مرة أخرى.
يقول رينبيرج: “إن استخدام الحيوانات في التشخيص الفعلي محدود للغاية”.
دفع ذلك العلماء إلى التفكير في إمكانية وجود أنف إلكترونية بدلاً من ذلك.
سيكون بناء جهاز شم اصطناعي لن يموت بعد بضع سنوات، مع برامج قياسية يمكن تحديثها بانتظام في جميع المجالات، أقل تكلفة.
وهذه هي الطريقة التي يتصور بها كولاكوف جهاز “Deep Nose” – وهو ذكاء اصطناعي شمي إلكتروني يمكن أن يعمل كأنف يلتقط الروائح وكدماغ يفسرها.
تم تصميم Deep Nose على غرار الآلية العصبية للدماغ البشري، لكن العلماء لم يكتشفوا بعد كيف يتعرف الدماغ البشري على رائحة من أخرى.
من الناحية البيولوجية، يكون فعل الشم أكثر تعقيدًا وأقل فهمًا من قدرتنا على الرؤية.
التعرف على الرائحة هو عملية دقيقة ومعقدة حيث يجب أن تلعب الكيمياء والبيولوجيا والفيزياء معًا في كونشيرتو متزامن – سواء كنت تستمتع برائحة الوردة أو تقرع أنفك في كومة من براز الكلب.
داخل تجويف الأنف، تنتظر ملايين الخلايا العصبية الشمية وصول جزيء الرائحة التالي إلى الداخل.
مقالات شبيهة:
الفئران تستعيد حاسة الشم باستخدام الخلايا الجذعية
جوجل تدرب الذكاء الاصطناعى على تطوير حاسة الشم للروبوتات
تحتوي هذه الخلايا العصبية على نتوءات مجهرية تشبه الأصابع تسمى الأهداب، والتي تطفو في المخاط الذي يغطي سطح الظهارة الأنفية.
تمتد الأطراف الأخرى للخلايا العصبية، والتي تسمى المحاور، إلى الأعلى، مروراً بممرات خاصة داخل الجمجمة وصولاً إلى الدماغ،
مما يؤدي إلى المنطقة المسماة بالبصلة الشمية، والتي سميت بهذا الاسم بسبب شكلها الشبيه بالبصل.
عندما تطير الجزيئات في أنفنا، فإنها ترتبط بالأهداب، وترسل الخلايا العصبية هذه المعلومات إلى البصلة الشمية، والتي تفسرها، مما يؤدي إلى إحساسنا بالرائحة.
كما أنه سيمرر هذه الإشارات إلى القشرة الشمية، التي ستحدد آليتها العصبية جودة الروائح وتركيزها.
اعتمادًا على التركيبة المحددة من المستقبلات التي تقفلها الجزيئات، نشم الورود أو براز الكلب.
ولكن حتى تلك المصافحة الجزيئية التي تبدو بسيطة تظل غامضة.
يؤمن بعض العلماء بـ “نظرية الربط الفراغي” ، والتي تنص على أن الجزيئات تناسب الأشكال الفيزيائية المتميزة للمستقبلات.
يدعم البعض الآخر “نظرية الاهتزازات” التي تزعم أن المستقبلات الشمية تكتشف تردد اهتزاز الجزيئات و “تترجمها” إلى روائح.
يقول كولاكوف: “تقترح النظرية الجامدة أن هناك جيبًا ملزمًا لشكل معين ، وأن بعض الجزيئات تتلاءم معه ، بينما قد يسبح البعض الآخر بعيدًا في المخاط”.
بغض النظر عن النظرية التي تثبت صحتها ، لا يزال بناة جهاز “Deep Nose” يواجهون تحديًا كبيرًا. سيتطلب جزء الأنف ، الذي يحاكي عمل الارتباط العصبي ، أجهزة استشعار كيميائية.
سوف تتفاعل هذه المستشعرات مع الجزيئات الطائرة – سواء بالربط أو بطريقة مختلفة – وتكتشف وجودها.
ستقوم المستشعرات بعد ذلك بإرسال إشارات كهربائية إلى الدماغ الإلكتروني – شبكة Deep Nose التي ستفسر الجزيئات التي تم اكتشافها.
يتصور كولاكوف أنها تعمل كشبكة من طبقات متعددة ستكون قادرة على التعرف على أجزاء مختلفة من الجزيئات والمجموعات الكيميائية المختلفة داخلها
تمامًا مثل تفاعل الخلايا العصبية المختلفة مع وجود جزيئات مختلفة داخل الأدمغة البيولوجية.
لحسن الحظ، يمكن للباحثين رؤية كيف يحدث هذا النشاط العصبي داخل الأدمغة الحية.
تسمح التكنولوجيا الحديثة للفرد بإلقاء نظرة خاطفة داخل الدماغ، ورؤية المستقبلات الشمية التي تنشط استجابةً للروائح.
يتطلب ذلك إجراء جراحة في المخ ومعالجة وراثية، لذلك لا يمكن إجراؤها على البشر، ولكن يمكن أن تساعد الفئران والجرذان.
وهنا يأتي دور مختبر Rinberg، والذي يستخدم فريقه الفئران المعدلة وراثيًا
والتي تكون خلاياها العصبية ملوّنة ببروتينات الفلورسنت التي تضيء عندما تتفاعل استجابة لرائحة.
يمكن للفريق مشاهدة هذه العملية من خلال نافذة مزروعة في جماجم القوارض.
يوضح رينبيرج: “نقوم بترميز الفئران وراثيًا بحيث تولد ببروتينات فلورية في البصيلات الشمية لأدمغتها – ويمكننا أن نرى كيف تضيء الخلايا العصبية الشمية”.
“يمكننا أن نرى أن الوردة، على سبيل المثال، تثير المستقبلات رقم 27 و 72 و 112، في حين أن براز الكلب يثير مجموعة فرعية مختلفة من المستقبلات.
ولكن من يدري، فقد نجد أيضًا أن الورود والبراز ينشطان بالفعل بعض المستقبلات الشائعة! “
إن الجمع المنتظم لأنماط التنشيط العصبية هذه سيعلم العلماء عن الشفرات التوافقية للمستقبلات التي تنشط استجابة لكل شيء
من الورود إلى البراز ومن القهوة إلى رائحة الكلاب الرطبة – وجميع الأشياء الأخرى في الرائحة.
وتضيء تركيبات عصبية محددة استجابة لجزيئات معينة، بما في ذلك المستقلبات التي ننتجها في الصحة والمرض.
يعتقد كولاكوف أن هناك مزيجًا منها، لذا فإن قدرات القوارض ستكون مفيدة بشكل خاص هنا.
ستسمح لهم مستقبلاتهم الشمية الرائعة التي تفوق عدد مستقبلاتنا بثلاثة أضعاف بالتعرف على رائحة العديد من الخلطات أكثر مما نستطيع
لذلك يمكنهم المساعدة في تدريب Deep Nose على الروائح المختلفة التي نصدرها ولكن لا يمكننا اكتشافها بمفردنا.
تمامًا مثل الفئران التي تم تدريبها على اكتشاف مرض السل، يمكن تدريبها على شم أورامنا،
بينما يمكن للباحثين تحديد الخلايا العصبية التي تضيء في أدمغتهم استجابةً لرائحة السرطانات المختلفة.
يقول كولاكوف: “بمجرد أن نجمع المعلومات حول ما تنشطه الخلايا العصبية استجابة لما تشمّه أدمغة الفئران، يمكننا تدريب Deep Nose على تلك البيانات”.
لا يزال العلم على بعد عقود من تشخيص حاسة الشم الإلكترونية.
ومع ذلك، فإن جيشًا صغيرًا من القوارض ذات الخلايا العصبية التي تتوهج استجابةً لروائح معينة يمكن أن يساعد في الكشف عن الأمراض الصحية في حوالي 10 سنوات، حسب تقديرات كولاكوف.
ذلك لأن التكنولوجيا اللازمة لرصد استجاباتها العصبية الملونة موجودة بالفعل، ولكن التكنولوجيا اللازمة لمحاكاة الارتباط العصبي للجزيئات الطائرة
جهزة الاستشعار الكيميائية لاكتشاف المستقلبات، لم يتم إنشاؤها بعد.
ولكن بمجرد أن يتم تحقيق ذلك، سيكون بناء أنف إلكتروني لاستكشاف المشاكل الصحية أمرًا بسيطًا إلى حد ما.
يقول كولاكوف: “ربما لم يساعدنا تطورنا على تشخيص المرض، ولكن يمكننا تصميم برنامج يمكنه القيام بذلك.”