Учёные Южного федерального университета разработали биогибридную систему, которая способна определять, содержатся ли в воздухе конкретные летучие вещества. Роль сенсора в ней играет мозг крысы, а подключённая искусственная нейросеть анализирует его активность и выдаёт результат.
Что можно узнать по вашему запаху?
Если вы держите в руке очищенный апельсин, информация о его запахе попадает в ваш мозг, минуя сознание. Она словно бы стрелой пролетает сквозь него и прямиком вонзается в глубинные области вашего мозга. Это неудивительно: эволюция, по ступеням которой прошли тысячи поколений ваших предков, делала ставку именно на обоняние — оно является древнейшим органом чувств, с помощью которого животные ориентировались в окружающей среде, искали пищу, подбирали половых партнёров и т. д.
Молекулы пахучих веществ улавливаются обонятельными рецепторами, и сигнал об их присутствии через обонятельный нерв передаётся в соответствующий центр головного мозга — обонятельную луковицу. А оттуда — в другие зоны мозга. И он, распознавая знакомый (или незнакомый) запах, решает, что вам делать дальше: закрывать глаза от удовольствия, вдыхая поглубже, готовиться к приёму пищи (начинают выделяться желудочный сок и слюна), затаиться или же немедленно брать ноги в руки.
По индивидуальному запаху человека можно узнать, чем он болен, что ест, насколько уверен в себе и многое другое. Поэтому в некоторых странах собак обучают, например, распознавать приближение припадков у эпилептиков. Их тренируют и отдают в распоряжение больных. Питомец по запаху определяет, что у хозяина скоро будет приступ, и подаёт ему знак, чтобы тот немедленно прилёг и принял другие необходимые меры.
Кроме того, известно, что по запаху можно выявлять рак, причём на ранней стадии. Неоднократно проводились исследования на животных. Мышам вводили раковые клетки, и участвующая в эксперименте собака уже на следующий день, когда опухоль только начинала развиваться, была способна отличить больную мышь от здоровых.
В чём суть экспериментов?
Любопытно, что обоняние снижается во время сна и усиливается во время наркоза. Это явление было плохо изучено, и специалисты НИТЦ нейротехнологий Южного федерального университета, что в Ростове-на-Дону, взялись исправить ситуацию.
Они провели эксперименты, в ходе которых исследовали, как ведёт себя обонятельная система крысы во время анестезии. Результаты опубликованы в научном журнале.
Животных в состоянии наркоза помещали в специальный бокс, куда подавались различные запахи. Мозг крысы начинал их распознавать, и компьютерная программа фиксировала сигналы нейронов. Алгоритм искусственной нейросети в зависимости от полученной реакции определял, какое именно вещество унюхала крыса. В частности, использовались летучие вещества, которые выдыхают люди с онкозаболеваниями, сахарным диабетом и туберкулёзом.
«Животному в течение пяти секунд подаётся интересующий запах, одновременно с помощью микроэлектродов, имплантированных в обонятельную луковицу крысы, регистрируется активность нейронов. Каждый из нейронов может быть уникальным для интересующего вещества, и на этом свойстве можно создать биосенсорную систему, детектирующую целевые вещества», — объясняет главный научный сотрудник НИТЦ нейротехнологий ЮФУ Пётр Косенко.
Где это может найти применение?
Результаты эксперимента были подтверждены на практике. В ходе дальнейшего исследования крысам дали понюхать запахи 1761 добровольца, и более чем у 70% пациентов, отнесённых животными к группе риска, действительно были найдены соответствующие заболевания.
Учёные заметили, что по ходу развития наркоза ответная реакция нейронов растёт и максимальной активности достигает в его самой глубокой фазе. Теперь они намерены создать управляемые биогибридные системы, которые будут работать на постоянной основе в режиме реального времени. Иначе говоря, крысы-киборги, находящиеся под анестезией, должны будут выявлять социально значимые заболевания (всё те же рак, сахарный диабет и туберкулёз) и потенциально опасные вещества в воздухе — взрывчатку или наркотики.
Пока непонятно, как эта задумка будет реализована на практике. По словам разработчиков, аналогов подобной системы в России не существует. Биогибридные обонятельные системы универсальны и смогут распознавать любые запахи, лишь бы летучее вещество проникало в обонятельную луковицу носителя (крысы или какого-то другого животного).
Кроме того, такие биосенсоры можно приспособить под нужды каждого заказчика, исходя из того, какие вещества требуется распознавать. Таким образом, они cмогут найти применение в медицине, сфере обеспечения безопасности или, скажем, экологии.
