Многочисленные исследования показали, что обученные собаки могут обнаруживать многие виды заболеваний, включая рак легких, груди, яичников, мочевого пузыря и простаты и, возможно, COVID-19, просто по запаху. В некоторых случаях, связанных, например, с раком простаты, собаки с 99-процентной вероятностью обнаруживали заболевание путем обнюхивания образцов мочи пациентов.

Но для дрессировки таких собак нужно время, а их количество и время работы ограничены. Ученые искали способы автоматизировать удивительные обонятельные способности собачьего носа и мозга в компактном устройстве. Теперь команда исследователей из Массачусетского технологического института и других учреждений разработала систему, которая может определять химическое и микробное содержание пробы воздуха с даже большей чувствительностью, чем нос собаки. Они объединили это с процессом машинного обучения, который может определять отличительные характеристики образцов, несущих болезнь.

Открытие, которое, по словам исследователей, когда-нибудь может привести к созданию автоматизированной системы обнаружения запахов, достаточно маленькой, чтобы ее можно было встроить в мобильный телефон, было опубликовано в журнале PLoS ONE, адаптированный перевод которого приводит издание Discover24.ru. Автором статьи стала Клэр Гест из компании Medical Detection Dogs в Великобритании. Ученый-исследователь Андреас Мершин из Массачусетского технологического института и еще 18 человек из Университета Джона Хопкинса, Фонда рака простаты и ряда других университетов и организаций приняли участие в исследовании.

«Собаки, вот уже 15 лет или около того, выступают в роли самых ранних и наиболее точных детекторов болезней среди всего, что мы когда-либо пробовали», – рассказывает Мершин. По его словам, их производительность в контролируемых тестах в некоторых случаях превышала показатели лучших современных лабораторных исследований. «До сих пор многие виды рака были обнаружены собаками раньше, чем любыми другими технологиями».

Более того, собаки, по-видимому, улавливают связи, которые до сих пор ускользали от исследователей: при обучении реагировать на образцы, полученные от пациентов с одним типом рака, некоторые собаки затем идентифицировали несколько других типов, даже несмотря на то, что сходства между образцами не были очевидны для людей.

«Эти собаки могут идентифицировать раковые опухоли, у которых нет общих биомолекулярных сигнатур, ничего общего», – отмечает Мершин. Используя мощные аналитические инструменты, включая газовую хроматографию, масс-спектрометрию и микробиологическое профилирование, не всегда удается найти что-то общее между образцами, которые собаки выделили.

Мершин и его команда за последние несколько лет разработали и продолжали совершенствовать миниатюрную детекторную систему, которая включает обонятельные рецепторы млекопитающих, стабилизированные для работы в качестве датчиков, потоки данных которых могут обрабатываться в режиме реального времени с помощью возможностей обычного смартфона. Он предвидит день, когда в каждый телефон будет встроен детектор запаха, так же как камеры. По его словам, такие детекторы, оснащенные передовыми алгоритмами, разработанными с помощью машинного обучения, потенциально могут обнаружить признаки заболевания гораздо раньше, чем обычные режимы скрининга, а также могут предупредить о дыме или утечке газа.

В последних тестах команда проверила 50 образцов мочи от пациентов с подтвержденным раком простаты и контрольной группы, у которой заболевания не было. Использовались собаки, обученные компанией Medical Detection Dogs в Великобритании, и миниатюрная система обнаружения. Затем они применили программу машинного обучения, чтобы выявить любые сходства и различия между образцами, которые могут помочь сенсорной системе идентифицировать болезнь. При тестировании одних и тех же образцов искусственная система смогла повторить показатели успешности собак, причем оба метода набрали более 70 процентов.

По словам Мершина, миниатюрная система обнаружения на самом деле в 200 раз более чувствительна, чем нос собаки, с точки зрения способности обнаруживать и идентифицировать крошечные следы различных молекул, что подтверждено контролируемыми тестами, санкционированными DARPA. Но с точки зрения интерпретации этих молекул «система на 100 процентов глупее». Вот тут-то и приходит на помощь машинное обучение, чтобы попытаться найти неуловимые закономерности, которые собаки могут понять из запаха, а люди упускают при химическом анализе.

«Собаки не знают химии», – отмечает Мершин. «В их голове не появляется список молекул. Когда вы нюхаете чашку кофе, вы не видите названия и концентрации веществ, вы чувствуете целостное ощущение. Это ощущение запаха и есть преимущество собак».

Хотя физический аппарат для обнаружения и анализа молекул в воздухе разрабатывался в течение нескольких лет с упором на уменьшение его размера, анализ до сих пор отсутствовал. «Мы знали, что сенсоры уже лучше, чем собачьи носы с точки зрения предела обнаружения, но ранее мы не могли обучить искусственный интеллект имитировать собак», – говорит Мершин. «А теперь мы показали, что можем это сделать. Мы показали, что то, что делает собака, можно до определенной степени воспроизвести».

По словам ученых, это достижение создает прочную основу для дальнейших исследований по разработке технологии до уровня, подходящего для клинического использования. Мершин надеется, что сможет протестировать гораздо больший набор образцов, возможно, 5000, чтобы более детально определить важные индикаторы болезни. Но такое тестирование обходится недешево: оно стоит около 1000 долларов за образец для сбора, документирования, отправки и анализа клинически протестированных и сертифицированных образцов мочи, несущей болезни, и свободной от нее.

Размышляя о том, как он стал участвовать в этой работе, Мершин вспомнил исследование по выявлению рака мочевого пузыря, в котором собака продолжала неверно идентифицировать одного члена контрольной группы как человека с положительным диагнозом, даже несмотря на то, что он был специально отобран на основе тестов в больнице как свободный от заболевания. Пациент решил пройти дополнительные исследования, и через несколько месяцев был обнаружен рак на очень ранней стадии. «Хотя это всего лишь один случай, я должен признать, что он меня потряс», – подчеркивает Мершин.

Вам может понравиться

В Японии приблизились к созданию алмазных батарей со сроком жизни в 100 лет

Группа специалистов из Японии разработала прототип алмазной батареи, которая может осуществлять генерацию электроэнергии на протяжении одного века. Данная технология базируется на применении искусственных алмазов, вырабатывающих электричество при их помещении в

Кошки не понимают плохое отношение окружающих к своему хозяину

Японские учёные в ходе своего исследования выяснили, что кошки не умеют различать друзей и неприятелей своего хозяина. Так, в ходе эксперимента хозяину кошки предстояло открыть ящик. Рядом с ним находились

National Interest восхитился российским пулеметом Калашникова с патронами 1891 года

1 Продолжайте продолжать2 Классический выбор3 Крепкий4 ПКМ Семейство пулеметов Калашникова (ПК) советской разработки было первоначально выпущено в 1961 году и используется до сих пор. Его стандартный боеприпас был разработан еще
Погода в России: