L’intelligenza artificiale rivela l’ordine segreto del mondo degli odori

Gli sforzi per costruire un “naso” digitale migliore suggeriscono che la nostra percezione dei profumi riflette sia la struttura delle molecole aromatiche sia i processi metabolici che le producono.

Alex Wiltschko ha iniziato a collezionare profumi quand’era ancora un adolescente. Il suo primo flacone è stato Azzaro Pour Homme, una colonia senza tempo che aveva notato sullo scaffale di un grande magazzino T.J. Maxx. Aveva riconosciuto il nome da Perfumes: The Guide, un libro le cui poetiche descrizioni degli aromi avevano dato il via alla sua ossessione. Incuriosito, aveva risparmiato la sua paghetta per arricchire la sua collezione. “Alla fine sono finito nella tana del bianconiglio”, ha dichiarato.

Più recentemente, come neuroscienziato dell’olfatto per il Brain Team di Google Research, Wiltschko ha usato l’apprendimento automatico per analizzare il nostro senso più antico e meno compreso. A volte guardava quasi con nostalgia i suoi colleghi che studiavano gli altri sensi. “Hanno queste bellissime strutture intellettuali, queste cattedrali della conoscenza”, ha detto, che spiegano il mondo visivo e uditivo, sminuendo ciò che sappiamo sull’olfatto.

Il recente lavoro di Wiltschko e dei suoi colleghi, tuttavia, sta contribuendo a cambiare le cose. In un documento pubblicato per la prima volta a luglio sul server di preprint biorxiv.org, hanno descritto l’uso dell’apprendimento automatico per affrontare una vecchia questione della scienza dell’olfatto. Le loro scoperte hanno migliorato significativamente la capacità dei ricercatori di elaborare l’odore di una molecola a partire dalla sua struttura. Inoltre, il modo in cui hanno migliorato questi calcoli ha fornito nuove intuizioni sul funzionamento dell’olfatto, rivelando un ordine nascosto nel modo in cui le nostre percezioni degli odori corrispondono alla chimica del mondo vivente.

Quando si inala l’odore di caffè al mattino, 800 diversi tipi di molecole raggiungono i recettori olfattivi. Dalla complessità di questo ricco ritratto chimico, il nostro cervello sintetizza una percezione complessiva: il caffè. Tuttavia, i ricercatori hanno incontrato un’eccezionale difficoltà nel prevedere quale sarà l’odore di una singola molecola per noi esseri umani. Il nostro naso ospita 400 diversi recettori per rilevare la composizione chimica del mondo che ci circonda e stiamo solo iniziando a capire quanti di questi recettori possono interagire con una determinata molecola. Ma anche con questa conoscenza, non è chiaro come le combinazioni di input odorosi si adattino alle nostre percezioni di fragranze come dolce, muschiato, disgustoso e altro ancora.

“Non esisteva un modello chiaro che fornisse previsioni sull’odore della maggior parte delle molecole”, ha dichiarato Pablo Meyer, che studia analisi biomedica e modellizzazione dell’olfatto a IBM Research e non è stato coinvolto nel recente studio. Meyer ha deciso di fare dell’iconico problema struttura-olfatto il fulcro della sfida DREAM 2015 di IBM, una competizione di crowdsourcing informatico. Le squadre hanno gareggiato per costruire modelli in grado di prevedere l’odore di una molecola a partire dalla sua struttura.

Ma neanche i modelli migliori riuscivano a spiegare tutto. Tra i dati c’erano casi irregolari e fastidiosi che resistevano alla previsione. A volte, piccole modifiche alla struttura chimica di una molecola producevano un odore completamente nuovo. Altre volte, le modifiche strutturali più importanti cambiavano a malapena l’odore.

Un’organizzazione metabolica per gli odori

Per cercare di spiegare questi casi irregolari, Wiltschko e il suo gruppo hanno considerato i requisiti che l’evoluzione potrebbe aver imposto ai nostri sensi. Ogni senso è stato calibrato nel corso di milioni di anni per rilevare la gamma di stimoli più salienti. Per la vista e l’udito umani, si tratta di luce di lunghezza d’onda compresa tra 400 e 700 nanometri e di onde sonore tra 20 e 20.000 hertz. Ma che cosa governa il mondo chimico rilevato dal nostro naso?

“L’unica cosa che è rimasta costante nel corso dell’evoluzione, almeno da molto tempo a questa parte, è il motore metabolico centrale di ogni essere vivente”, ha detto Wiltschko, che ha recentemente lasciato Google Research per diventare entrepreneur-in-residence presso GV, la filiale di venture capital di Alphabet.

Il metabolismo si riferisce all’insieme di reazioni chimiche – tra cui il ciclo di Krebs, la glicolisi, il ciclo dell’urea e molti altri processi – che sono catalizzate dagli enzimi cellulari e che convertono una molecola in un’altra nelle cellule. Questi percorsi di reazione ben collaudati definiscono una mappa di relazioni tra le sostanze chimiche presenti in natura che ci arrivano al naso.

L’ipotesi di Wiltschko era semplice: forse le sostanze chimiche che hanno un odore simile non sono solo correlate dal punto di vista chimico, ma anche biologico.

Per verificare l’idea, il suo gruppo aveva bisogno di una mappa delle reazioni metaboliche che avvengono in natura. Fortunatamente, gli scienziati del settore della metabolomica avevano già costruito un’ampia banca dati che delineava queste relazioni chimiche naturali e gli enzimi che le producono. Con questi dati, i ricercatori hanno potuto scegliere due molecole odorose e calcolare quante reazioni enzimatiche sarebbero state necessarie per convertirne una nell’altra.

Per fare un confronto, avevano anche bisogno di un modello computerizzato in grado di quantificare l’odore delle varie molecole odorose per gli esseri umani. A questo fine, il gruppo di Wiltschko ha perfezionato un modello di rete neurale chiamato mappa principale degli odori, basato sui risultati del concorso DREAM del 2015. Questa mappa è come un cloud di 5000 punti, ognuno dei quali rappresenta l’odore di una molecola. I punti delle molecole che hanno un odore simile si concentrano insieme, mentre quelli che hanno un odore molto diverso sono molto distanti tra loro. Poiché un cloud è molto più che tridimensionale – contiene 256 dimensioni di informazioni – solo gli strumenti informatici più avanzati possono affrontare la sua struttura.

I ricercatori hanno cercato relazioni corrispondenti all’interno delle due banche dati. Hanno esaminato 50 coppie di molecole e hanno scoperto che le sostanze chimiche più vicine nella mappa del metabolismo tendevano a esserlo anche nella mappa degli odori, anche se avevano strutture molto diverse.

Wiltschko è rimasto stupito dalla correlazione. Le previsioni non erano ancora perfette, ma erano migliori di quelle che qualsiasi modello precedente aveva ottenuto con la sola struttura chimica, ha dichiarato.

“Non era affatto detto che ciò accadesse”, ha spiegato. “Due molecole biologicamente simili potrebbero odorare di rose e uova marce”. Ma non è successo. “E questo per me è pazzesco… è bellissimo”.

I ricercatori hanno anche scoperto che le molecole che generalmente si trovano insieme in natura – per esempio, i diversi componenti chimici di un’arancia – tendono ad avere un odore più simile rispetto alle molecole che non hanno un’associazione naturale.

In sintonia chimica con la natura

I risultati sono “intuitivi ed eleganti”, ha dichiarato Robert Datta, neurobiologo della Harvard Medical School ed ex consulente di Wiltschko per il dottorato, che non era coinvolto nel recente studio. “È come se il sistema olfattivo fosse costruito per rilevare una serie di coincidenze chimiche”, ha spiegato. “Quindi il metabolismo regola le coincidenze possibili”. Questo indica che c’è un’altra caratteristica oltre alla struttura chimica di una molecola che conta per il nostro naso: il processo metabolico che ha prodotto la molecola nel mondo naturale.
“Il sistema olfattivo è sintonizzato sull’universo che vede, che è costituito da queste strutture molecolari. E il modo in cui queste molecole sono fatte ne fa parte”, ha aggiunto Meyer. Egli ha elogiato l’intelligenza dell’idea di utilizzare il metabolismo per affinare la categorizzazione degli odori. Anche se la mappa basata sul metabolismo non migliora drasticamente i modelli strutturali, dal momento che l’origine metabolica di una molecola è già strettamente legata alla sua struttura, “apporta qualche informazione in più”, ha sottolineato.

La prossima frontiera delle neuroscienze olfattive riguarderà gli odori delle miscele anziché singole molecole, prevede Meyer. Nella vita reale, molto raramente inaliamo una sola sostanza chimica alla volta; si pensi alle centinaia di sostanze che si sprigionano dalla tazza del caffè. Al momento, gli scienziati non dispongono di dati sufficienti sulle miscele di odori per costruire un modello come quello delle sostanze chimiche pure utilizzato nel recente studio. Per capire veramente il nostro senso dell’olfatto, dovremo esaminare come le costellazioni di sostanze chimiche interagiscono per formare odori complessi come quelli delle bottiglie di profumo di Wiltschko.

Questo progetto ha già cambiato il modo in cui Wiltschko pensa alla sua passione di sempre. Quando si percepisce un odore, “si percepiscono parti di un altro essere vivente”, ha concluso. “Penso che sia bello. In questo modo mi sento più connesso alla vita”.

Fonte: Le Scienze

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