调查显示，大多数人认为嗅觉是他们最不重要的感官。然而，狗是用鼻子来感知世界的。人类已经利用动物的嗅觉灵敏度来检测违禁品和爆炸物。最近，它也被证明在感知癌症、糖尿病，甚至 COVID-19 方面非常有效。狗如何检测疾病仍然是一个谜，但这并没有阻止研究人员用基于人工智能的非侵入性诊断工具来模仿这种能力。
在二月份发表于 PLOS ONE 的一项研究中，一个跨国团队报告了一个人工智能驱动的系统，它在从尿液样本中正确识别前列腺癌病例方面与训练有素的狗一样准确。麻省理工学院研究科学家安德烈亚斯·默辛是该研究的共同作者之一，他希望最终将该技术集成到智能手机中：手机中会有一个微型传感器，人工智能软件在云端运行。“我们发现，我们可以重复在机器上对狗进行的训练，直到我们无法区分两者之间的差异，”他说。
前列腺癌是全球男性第二大致命癌症，众所周知，它很难被检测到。最广泛使用的测试是检查前列腺特异性抗原（一种血液中的蛋白质）的高水平，它容易出现假阳性结果，并且会遗漏 15% 的癌症。另一方面，训练有素的狗在 2015 年发表于《泌尿外科杂志》的一项研究中，从尿液样本中识别前列腺癌患者的准确率超过 96%。
支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
然而，狗会感到无聊和疲倦，因此研究人员希望开发一种工作更稳定的的人工系统。难题是，没有人确切知道狗闻到的是什么。
活细胞会产生一系列化学物质，这些化学物质从皮肤、血液、尿液和呼吸中散发出来。包括默辛和他的同事开发的“纳米鼻子”在内的人工鼻子已经可以像狗一样以十亿分之几的浓度检测到这些化学物质。但是，单一化合物甚至一组化合物并不一定表示存在癌症。相反，狗通过识别化学混合物中的复杂模式来识别癌症阳性或阴性的样本。“知道某种东西闻起来像什么，并不意味着知道它是由什么制成的，”默辛说。“[狗]并没有检测到单个分子或一堆分子。它们是对某种感觉做出反应。我们训练它们的特征存在于感知空间中。”换句话说，它存在于大脑中。
该团队在化学传感中增加了一个人工神经网络——一种人工智能算法，可以通过观察例子来学习如何识别面部，例如。英国组织 Medical Detection Dogs 的首席执行官克莱尔·盖斯特和她的团队首先训练了一只拉布拉多犬和一只粗毛维兹拉犬来识别前列腺癌阳性和阴性患者的尿液样本。然后，他们训练神经网络来模仿狗。
作为第二步的一部分，该团队通过气相色谱-质谱仪对每个样本进行了分析，这是一种化学分析技术，可以提供化合物的分子级分解。原始数据被输入到人工智能中，经过训练后，人工智能能够识别出 71% 的阳性病例和 70% 到 76% 的阴性病例，其准确率与狗大致相当。研究合著者兼人工智能专家、公司 Imagination Engines 的总裁兼首席执行官斯蒂芬·塔勒说，人工智能专注于与狗的诊断相关的关键数据特征和模式。“你向网络展示健康尿液色谱图的例子，它会形成一个正常模型，”他说。“然后，当你输入病理样本时，它会向你展示异常之处。”
杜克大学分子遗传学和微生物学教授 Hiroaki Matsunami（他没有参与这项研究）表示，这是揭示狗检测癌症的方法迈出的重要第一步。“作为科学家，我们想解释这种现象，”他说。“这种方法使黑匣子不再那么模糊。”但他指出，如果目标是诊断前列腺癌，其准确率仍然很低。
盖斯特说，人工智能系统的低准确率（仅与狗一样好）源于用于训练动物的样本数量较少。但正如 2015 年《泌尿外科杂志》的研究表明，狗可以被训练达到 96% 以上的准确率，默辛说，人工智能也可以被训练达到同样的准确率。“只要狗能做到的，我们就能让设备做到。”
他所说的设备是指他的实验室制造的纳米鼻子传感器，该传感器使用嗅觉蛋白，通过与气味分子结合来帮助人类和啮齿动物闻到气味。默辛计划使用来自纳米鼻子的数据训练人工智能算法，该传感器目前只有 iPhone 10 的三分之一大小，并且可以进一步缩小以集成到智能手机中。“该算法与你输入的数据无关，”他说，因此它应该能够检测出狗可以检测到的任何疾病。
这些疾病可能包括 COVID-19。早期的初步努力表明，可以训练狗嗅出 COVID 感染。“似乎有证据表明，COVID 患者可能会以微量水平释放氨气，而狗可以嗅到，”罗德岛大学化学工程教授奥托·格雷戈里说，他开发了极其灵敏的爆炸物检测电子鼻。格雷戈里（他没有参与这项研究）和他的团队现在正在调整传感器，以检测呼吸中微量的氨气，其浓度可能会以十亿分之几的水平变化。他说，将这种化学检测技术与基于人工智能的模式识别相结合，像我们四条腿的朋友一样识别疾病将非常有吸引力。