Càng đi sâu vào việc thiết kế những chiếc “mũi kỹ thuật số”, người ta càng nhận thấy sự hoàn hảo đến lạ thường của những chiếc mũi bẩm sinh mà Mẹ thiên nhiên ban tặng con người và hiểu rõ hơn về cách chúng giúp con người cảm nhận được mùi hương.
Mùi hương của các phân tử phần lớn phụ thuộc vào cấu trúc của chúng.
Alex Wiltschko bắt đầu sưu tập nước hoa từ thời thiếu niên. Chai đầu tiên của anh là Azzaro Pour Homme, một nhãn nước hoa vượt thời gian mua trên kệ tại cửa hàng T.J. Maxx. Anh tìm ra nó từ cuốn “Perfumes: The Guide”, một cuốn sách chứa đựng những mô tả đầy chất thơ về hương thơm, và bị ám ảnh từ đó. Bị mùi hương mê hoặc, anh tiết kiệm tiền tiêu vặt để gom vào bộ sưu tập của mình.
Đó là chuyện của quá khứ vì giờ đây, Wiltschko đã trở thành một nhà thần kinh học khứu giác thuộc Nhóm nghiên cứu não bộ của Google Research và sử dụng học máy để phân tích giác quan cổ xưa nhất và ít được hiểu nhất của chúng ta, khứu giác. Thi thoảng khi nhìn một cách khao khát đồng nghiệp nghiên cứu các giác quan khác, anh nói: “Những người nghiên cứu về thị giác và thính giác đã phát hiện ra những cấu trúc tuyệt đẹp, những thánh đường tri thức để giải thích cho cả thế giới. Còn những gì chúng ta biết về khứu giác thì thật ít ỏi”.
Thật ra, vấn đề của khứu giác vô cùng phức tạp. Khi bạn hít sâu một hơi cốc cà phê buổi sáng của mình, 800 loại phân tử khác nhau sẽ đi đến các thụ thể cảm nhận mùi của mình. Từ tập hợp hóa học phức tạp và phong phú này, bộ não của chúng ta sẽ tổng hợp một nhận thức tổng thể: cà phê. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã nhận thấy vô cùng khó để dự đoán ngay cả một phân tử đơn lẻ sẽ có mùi như thế nào đối với con người. Mũi của chúng ta chứa 400 thụ thể khác nhau để phát hiện thành phần hóa học của thế giới xung quanh và chúng ta mới chỉ bắt đầu tìm hiểu xem có bao nhiêu trong số những thụ thể đó có thể tương tác với một phân tử nhất định. Nhưng ngay cả với kiến thức đó, vẫn còn chưa rõ bằng cách nào tổng hợp được các mùi đầu vào để định hình nhận thức của chúng ta về các loại mùi hương như ngọt ngào, mùi như xạ hương, khó chịu và hơn thế nữa. Tuy nhiên, những công trình gần đây của Wiltschko và các đồng nghiệp đang giúp thay đổi điều đó.
Trong một bài báo đưa lên kho lưu trữ biorxiv.org vào tháng 7/2022, Wiltschko và các đồng nghiệp cho biết đã sử dụng học máy để giải những bài toán thách thức trong khoa học khứu giác. Phát hiện của họ đã cải thiện đáng kể khả năng tính toán ra mùi của một phân tử từ cấu trúc của nó, và hơn nữa, cải thiện những tính toán để mang lại hiểu biết mới về cách hoạt động của khứu giác, tiết lộ một trật tự ẩn giấu trong cách chúng ta cảm nhận về mùi tương ứng với thành phần hóa học của vật chất.
Pablo Meyer, nhà nghiên cứu phân tích y sinh và mô hình hóa khứu giác tại IBM Research và không tham gia vào nghiên cứu này, cho biết: “Không có mô hình rõ ràng nào có thể đưa ra dự đoán về mùi của hầu hết các phân tử”. Trong cuộc thi này, các nhóm đã cạnh tranh nhau bằng cách xây dựng các mô hình có thể dự đoán mùi của phân tử từ cấu trúc của nó.
Nhưng ngay cả những mô hình tốt nhất cũng không thể giải thích mọi thứ. Trong dữ liệu luôn có những trường hợp bất thường đi ngược lại dự đoán. Đôi khi những điều chỉnh nhỏ của cấu trúc hóa học của một phân tử cũng tạo ra một mùi hoàn toàn mới. Những lần khác, những thay đổi lớn về cấu trúc hầu như không làm thay đổi mùi.
Cách tiếp cận dựa trên hệ thống trao đổi chất cho mùi
Để giải thích những trường hợp kỳ lạ này, Wiltschko và nhóm của anh đã xem xét quá trình tiến hóa đã đòi hỏi gì ở các giác quan con người. Mỗi giác quan đã được điều chỉnh qua hàng triệu năm để phát hiện ra các đối tượng nổi bật nhất. Đối với thị giác và thính giác người, đó là ánh sáng có bước sóng từ 400-700 nanomet và sóng âm thanh từ 20 đến 20.000 hertz. Nhưng điều gì chi phối thế giới hóa học của mũi chúng ta? “Có một thứ không đổi trong thời gian tiến hóa, ít nhất là từ rất lâu rồi, là cơ chế trao đổi chất cốt lõi bên trong mọi sinh vật sống”, Wiltschko nói. Gần đây anh đã rời Google Research để khởi nghiệp tại GV, một chi nhánh của quỹ đầu tư mạo hiểm của Alphabet.
Trao đổi chất là tập hợp các phản ứng hóa học được xúc tác bởi các enzym của tế bào giúp chuyển đổi phân tử này thành phân tử khác trong tế bào – bao gồm chu trình Krebs (hay còn gọi là chu trình axit citric, gồm một chuỗi các phản ứng hóa học được các sinh vật hiếu khí sử dụng để giải phóng năng lượng được lưu trữ thông qua oxy hóa khử axetyl-CoA bắt nguồn từ các carbohydrate, chất béo và protein thành adenosine triphosphate ATP và carbon dioxide), đường phân (một quá trình chuyển hóa vật chất và năng lượng diễn ra trong tế bào, biến đổi từ một phân tử glucose thành hai phân tử axit pyruvic. Quá trình đường phân bao gồm mười phản ứng sinh hóa khác nhau, mỗi phản ứng do một loại enzyme tương ứng xúc tác nên), chu trình urê (một chu trình phản ứng sinh hóa tạo ra urê từ amonia. Chu trình urê chuyển đổi amonia độc hại cao thành urê để bài tiết), và nhiều quá trình khác. Những chuỗi các phản ứng lâu đời này xác định được bản đồ hiển thị mối liên hệ giữa các chất hóa học đi vào mũi chúng ta một cách tự nhiên. Giả thuyết của Wiltschko rất đơn giản: Có lẽ các hóa chất có mùi giống nhau không chỉ liên quan về mặt hóa học mà còn liên quan về mặt sinh học.
Để kiểm tra ý tưởng này, nhóm của anh cần một bản đồ về các phản ứng chuyển hóa xảy ra trong tự nhiên. May mắn thay, các nhà khoa học trong lĩnh vực trao đổi chất đã xây dựng được một cơ sở dữ liệu lớn về các mối quan hệ hóa học tự nhiên này và các enzym kết tủa chúng. Với dữ liệu này, các nhà nghiên cứu có thể chọn ra hai phân tử có mùi và tính toán cần bao nhiêu phản ứng có enzyme tham gia để chuyển đổi phân tử này thành phân tử kia.
Để so sánh như vậy, họ cũng cần một mô hình máy tính phù hợp để có thể định lượng cách con người ngửi các phân tử có mùi khác nhau như thế nào. Cuối cùng, nhóm của Wiltschko đã xây dựng và huấn luyện một mô hình mạng neuron, hay còn được gọi là bản đồ mùi cơ bản được xây dựng dựa trên những phát hiện của cuộc thi 2015 DREAM. Bản đồ này là một đám mây gồm 5.000 điểm, mỗi điểm đại diện cho một mùi hương của một phân tử. Các điểm dành cho các phân tử có mùi giống nhau được tập hợp lại thành nhóm và những điểm dành cho các phân tử có mùi khác nhau được đặt cách xa nhau. Đám mây này không chỉ là ba chiều — nó chứa 256 chiều thông tin — chỉ các công cụ điện toán tiên tiến mới có thể xử lý được cấu trúc phức tạp của nó.
Meyer dự đoán rằng ranh giới tiếp theo của khoa học thần kinh khứu giác sẽ liên quan đến các hỗn hợp chất tạo mùi vị thay vì các phân tử riêng lẻ. Nhóm của Wiltschko đã xây dựng và huấn luyện một mô hình mạng neuron, hay còn được gọi là bản đồ mùi cơ bản được xây dựng dựa trên những phát hiện của cuộc thi 2015 DREAM. Bản đồ này là một đám mây gồm 5.000 điểm, mỗi điểm đại diện cho một mùi hương của một phân tử.
Các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm các mối quan hệ tương ứng từ hai nguồn dữ liệu. Họ lấy mẫu 50 cặp phân tử và phát hiện ra rằng các hóa chất gần nhau hơn trên bản đồ trao đổi chất cũng có xu hướng cận kề nhau hơn trên bản đồ mùi hương, ngay cả khi chúng có cấu trúc rất khác nhau.
Wiltschko rất ngạc nhiên trước mối tương quan này. Các dự đoán vẫn chưa hoàn hảo nhưng tốt hơn bất kỳ mô hình nào trước đây chỉ dựa trên cấu trúc hóa học. “Thật không ngờ. Hai phân tử giống nhau về mặt sinh học, chỉ cách một bước xúc tác của enzyme, có thể có mùi như hoa hồng và trứng thối”, anh nói. “Với tôi điều đó thật điên rồ. Và cũng thật đẹp”.
Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra các phân tử thường xuất hiện cùng nhau trong tự nhiên – ví dụ, các thành phần hóa học khác nhau của một quả cam – có xu hướng có mùi giống nhau hơn so với các phân tử không có mối liên kết tự nhiên.
Hòa hợp về mặt hóa học với tự nhiên
Robert Datta, một nhà sinh học thần kinh học tại Trường Y Harvard và là hướng dẫn tiến sĩ trước đây của Wiltschko, cho rằng những phát hiện này là “trực quan và tao nhã”. Ông nói: “Giống như hệ thống khứu giác được xây dựng để phát hiện nhiều sự trùng hợp [hóa học] khác nhau. Vì vậy, sự trao đổi chất chi phối những trùng hợp có thể xảy ra.” Điều này chỉ dấu là có tính năng khác bên cạnh cấu trúc hóa học của phân tử cũng quan trọng đối với mũi của chúng ta – đó là quá trình trao đổi chất tạo ra phân tử trong thế giới tự nhiên.
“Hệ khứu giác được điều chỉnh cho phù hợp với vũ trụ mà nó nhìn thấy, đó là những cấu trúc của các phân tử. Và cách những phân tử này được tạo ra là một phần trong đó,” Meyer nói. Ông ca ngợi sự thông minh của ý tưởng sử dụng quá trình trao đổi chất để tinh chỉnh việc phân loại mùi hương. Mặc dù bản đồ dựa trên sự trao đổi chất không cải thiện đáng kể các mô hình dựa trên cấu trúc nhưng vì nguồn gốc trao đổi chất của một phân tử lại liên quan chặt chẽ với cấu trúc của nó, nên “nó mang lại một số thông tin bổ sung cho cấu trúc,” ông nói.
Meyer dự đoán rằng ranh giới tiếp theo của khoa học thần kinh khứu giác sẽ liên quan đến các hỗn hợp chất tạo mùi vị thay vì các phân tử riêng lẻ. Trong cuộc sống thực, chúng ta rất hiếm khi chỉ hít mùi của một loại hóa chất tại một thời điểm, ngay cả cốc cà phê của bạn cũng có hàng trăm hóa chất trong đó. Hiện tại các nhà khoa học không có đủ dữ liệu về hỗn hợp chất tạo mùi để xây dựng một mô hình giống như mô hình cho các hóa chất tinh khiết sử dụng trong nghiên cứu gần đây. Để thực sự hiểu được khứu giác, chúng ta cần kiểm tra cách các nhóm chất hóa học tương tác với nhau để tạo thành những mùi hương phức tạp như mùi trong các chai nước hoa của Wiltschko.
Dự án này đã thay đổi cách Wiltschko nghĩ về niềm đam mê cả đời của mình. “Khi bạn ngửi thấy mùi, bạn đang cảm nhận được các bộ phận của một sinh vật sống khác,” anh nói. “Tôi chỉ nghĩ rằng nó thực sự đẹp. Tôi cảm thấy gắn kết hơn với cuộc sống theo cách đó.”□
Nguyễn Quang dịch
Nguồn: https://www.quantamagazine.org/ai-model-links-smell-molecules-with-metabolic-processes-20221010/
———
M_ỗi một giai đoạn, máy tính đều có một ‘cảm giác’ mới, ví dụ như nghe hoặc nhìn. Khi chúng ta lần đầu biết về việc lưu trữ các hình ảnh thị giác vào thế kỷ 19, sau đó là sử dụng chúng trong thế kỷ 20, chúng ta có thể làm được nhiều điều với các bức ảnh chụp bằng tia X. Và rồi chúng ta có thể làm những việc khác như lưu trữ ký ức của mình dưới dạng thế giới thị giác. Nhưng máy tính không thể cảm nhận được mùi vị. Chúng không có năng lực dò tìm trong thế giới hóa học nên chúng ta không thể lưu trữ những ký ức quyến rũ mà chúng ta liên kết với mùi, ví dụ như mùi của ngôi nhà của bà ngoại, hoặc nơi chốn chúng ta từng sống… những ký ức ấy chỉ có trong đầu chúng ta._
Khi dịch bệnh xảy ra, chúng ta biết là dịch bệnh cũng có mùi riêng. Chúng ta cũng nhận thấy là các trạng thái sức khỏe khác nhau như mạnh khỏe, ốm yếu… đều có một mùi đặc biệt. Cỏ cây, khi chúng tươi tốt hay ủ rũ, sâu bệnh cũng đều mang trong mình những mùi đặc biệt. Số lượng thông tin rút ra từ những điều đó, chúng ta hoàn toàn có thể có tiềm năng giữ chúng tồn tại lâu dài với đời sống chúng ta, khiến cho đời sống chúng ta thêm hạnh phúc, cây cối bội thu hơn –điều thực sự xảy ra bên trong các cơ thể sống là xảy ra trong mũi. Nếu chúng tôi có thể nắm được bí mật này và hiển thị trong máy tính thì chúng tôi có thể tạo ra một tác động lớn lao và tích cực vào xã hội ngày nay”. (Alex Wiltschko)
Top comments (0)