Het reukvermogen is een van de vroegste zintuigen die in het menselijk lichaam worden gevormd, en het is een zeer complexe sensorische reactie. De neus is als een zeer gevoelige detector. Via miljoenen reukzenuwen zijn we in staat verschillende geurmoleculen met verschillende structurele eigenschappen waar te nemen en te onderscheiden, zodat we in complexe omgevingen snel een oordeel kunnen vellen.

Bron afbeelding: Pexel

Met de voortdurende ontwikkeling van wetenschap en technologie heeft de reukherkenningstechnologie van kunstmatige intelligentie (AI), die de menselijke reukwaarneming imiteert, zich snel ontwikkeld. De technologie combineert geavanceerde algoritmen van machinaal leren en kunstmatige intelligentie om verschillende stoffen te identificeren door geurmoleculen te detecteren en te analyseren. De toepassingsgebieden van AI-olfactorische technologie variëren van omgevingsmonitoring tot medische diagnoses, van voedselveiligheid tot strafrechtelijk onderzoek, en het potentieel ervan is onbeperkt.

Wanneer AI op veel mooie gebieden de menselijke capaciteiten heeft overtroffen, kunnen we niet anders dan de vraag stellen: in de ‘arena’ van geurwaarneming,AI of de menselijke neus, welke heeft een betere geurwaarneming?? Voordat we het antwoord op deze vraag onthullen, moeten we eerst begrijpen hoe mensen en AI geuren waarnemen.

Hoe neemt het menselijk brein geur waar?

Het proces waarbij de hersenen geur waarnemen is als een ‘ontmoeting’.

Eerst komen de geurmoleculen stilletjes aan en komen in de neusholte terecht. Er is een speciaal gebied boven de neusholte dat het reukepitheel wordt genoemd.

Er zijn hier een groot aantal reukreceptorcellen die specifiek geurmoleculen kunnen herkennen. Deze geurmoleculen reizen door de neusholte op zoek naar hun partners, onze reukreceptoren.

Mensen hebben ongeveer 400 functionele reukreceptoren. Zodra deze receptoren in contact komen met geurmoleculen, zullen ze onmiddellijk veranderingen in elektrische signalen veroorzaken en een ‘elektrische schokdans’ uitvoeren om signalen naar de hersenen te verzenden.

Dit signaal reist via de reukzenuw naar een specifiek gebied van de hersenen dat de reukbol wordt genoemd.


Rood is de reukbol, bron afbeelding: Referentie [1]

In de reukbol worden deze signalen verder verwerkt en geanalyseerd. De informatie wordt vervolgens naar hersengebieden gestuurd die verband houden met geheugen en emotie, zoals de hippocampus en de amygdala. De hersenen zetten deze signalen om in geursensaties die we kunnen herkennen en begrijpen, waardoor we de smaak, textuur en andere kenmerken van de geur kunnen ervaren.

Ten slotte vormt de verwerking van reukzenuwsignalen semantische representaties die verschillende geuren beschrijven, zoals koffie, roos, durian, enz. Dit proces is zo magisch en voortreffelijk en vult ons leven met kleur en plezier.

Hoe "ruikt" AI?

We hebben nu een algemeen begrip van de principes en processen van hoe het menselijk brein geuren waarneemt, dus hoe ruikt AI verschillende geuren?

AI ‘ruikt’ geuren als een ‘raadspel’ gebaseerd op de moleculaire structuur.

Geur komt van moleculen met specifieke structuren, die lijken op ‘boodschappers’ die geursignalen overbrengen. daarom,Om de geur van een stof te voorspellen, is het essentieel om de samenstelling en structuur van de moleculen te identificeren.

In dit proces vertrouwt AI op een grote en zorgvuldig georganiseerde database. Deze database kan worden gezien als een geavanceerd "geur-molecuulvertaalwoordenboek" met een uitputtende lijst van verbindingen tussen bekende moleculaire structuren en hun overeenkomstige geuren. De associatie van elk molecuul met geur wordt nauwgezet geregistreerd en gearchiveerd.

Een neuraal algoritme dat wordt gebruikt om biologische geur te simuleren, wordt gerapporteerd in een artikel in het tijdschrift Nature Machine Intelligence

Wanneer AI voor de taak staat om de geur van een nieuw molecuul te voorspellen, zal hij snel in dit professionele ‘woordenboek’ zoeken naar bekende moleculen met vergelijkbare structuren als het nieuwe molecuul, en daaruit mogelijke geurkenmerken afleiden. Dit proces is niet alleen snel, maar ook uiterst nauwkeurig.

Naast fundamentele structurele matching zal AI ook uitgebreid rekening houden met andere chemische eigenschappen, zoals de elektronegativiteit en stereoconfiguratie van moleculen, om de geureigenschappen van nieuwe moleculen uitgebreider te voorspellen.

Het algehele proces lijkt op een AI die verschillende aanwijzingen verzamelt en analyseert om de waarschijnlijke geur van een nieuw molecuul af te leiden.

In augustus 2023 werd in het tijdschrift Science een grafisch neuraal netwerk (GNN)-model voor AI-geuranalyse gepubliceerd.


Het proces van AI-identificatie van geur, bron afbeelding: Referentie [4]

Nadat de moleculaire structuur in het model is ingevoerd, zal het GNN het gewicht van verschillende chemische structuren in specifieke geuren optimaliseren, en uiteindelijk de geur van de moleculen beoordelen via de voorspellingslaag en de overeenkomstige geurdescriptoren uitvoeren.

De onderzoekers voerden geurtesten uit op het GNN-model en op een groep mensen. De resultaten laten zien,AI presteerde beter dan menselijke experts op 53% van de chemische moleculen en 55% van de geurbeschrijvingen.

Mensen versus AI: wie is de geurexpert?

Wij kunnen ons een team van professionals voorstellen die ‘geurexperts’ zijn.

In tegenstelling tot AI, die afhankelijk is van grote hoeveelheden data en algoritmen, vertrouwen deze experts vooral op hun reukvermogen en jarenlange opgebouwde ervaring om geuren te ontleden en te beschrijven. Ze hebben het vermogen om de nuances van een verscheidenheid aan complexe geuren te herkennen en deze met precieze taal te beschrijven.

Ze kunnen bijvoorbeeld duidelijk onderscheid maken tussen verschillende soorten geuren, zoals bloemig, fruitig, grasachtig, leerachtig, etc., en deze diepgaand uitleggen.

Bovendien zijn deze geurexperts in staat geuren te analyseren en interpreteren in samenhang met hun herkomst en omgevingsfactoren. Ze kunnen bijvoorbeeld de geuren identificeren die worden geproduceerd door het kookproces, de geuren van planten, de unieke geuren van dieren, enz., en systematisch de oorzaken en gevolgen van deze geuren analyseren op basis van hun kenmerken en veranderingen.

In tegenstelling tot voorspellingen van datagestuurde AI,De beschrijvingen en oordelen van deze geurexperts kunnen worden beïnvloed door subjectieve factoren.

Hun conclusies kunnen van persoon tot persoon verschillen en kunnen zelfs door verschillende factoren worden beïnvloed. Daarom kan hun beschrijving van de geur in sommige gevallen afwijken van het oordeel van de AI.

Dit is uiteraard slechts verbeelding en betekent niet dat echte geurexperts niet professioneel zijn. In het huidige stadium heeft het reukvermogen van AI nog niet het niveau bereikt dat mensen overweldigt, en mensen hebben onvervangbare voordelen op het gebied van subjectieve ervaring en begrip van geuren.

In de eerste plaats moet AI, in het licht van het complexe geurspectrum, vertrouwen op enorme gegevens en geavanceerde algoritmen voor leren en simulatie om nauwkeurigere beoordelingen te kunnen geven.

Het menselijke reuksysteem kan echter een grotere flexibiliteit vertonen, wat nog steeds moeilijk te bereiken is met de huidige AI-systemen.


Correlatie van voorspellingen van verschillende AI-modellen met het menselijke groepsgemiddelde. Beeldbron: Referentie [4]

Het menselijke reukvermogen wordt ook beïnvloed door vele andere factoren, zoals stemming, gezondheid, levenservaring, enz. Deze factoren kunnen onze perceptie en beoordeling van geuren beïnvloeden.

Deze variabelen voegen een laag van complexiteit toe aan het menselijke reukvermogen die AI mist om het menselijke reuksysteem volledig te begrijpen en te simuleren.

Conclusie

Hoewel AI een indrukwekkend potentieel heeft getoond op het gebied van reuktechnologie en op sommige gebieden aanzienlijke vooruitgang heeft geboekt,Maar het heeft de mens nog niet volledig overtroffen. Elk heeft verschillende voordelen en beperkingen. Naarmate de technologie zich blijft ontwikkelen, hebben we reden om te verwachten dat AI meer doorbraken op het gebied van geur zal bewerkstelligen.

Dit veld wordt echter nog steeds geconfronteerd met verschillende uitdagingen, zoals nauwkeurige identificatie, stabiliteit en reproduceerbaarheid van geurmoleculen, die verder onderzoek en verbetering vereisen. Ook,Publieke acceptatie en vertrouwen in deze opkomende technologie zijn ook sleutelfactoren die de succesvolle toepassing ervan aansturen.

Samenvattend: AI-olfactorische technologie heeft brede ontwikkelingsperspectieven en onbeperkte mogelijkheden, maar het specifieke ontwikkelingstraject en de resultaten ervan hebben nog tijd en oefening nodig om te verifiëren. We kijken ernaar uit dat wetenschappelijke onderzoekers en ingenieurs deze uitdagingen kunnen oplossen en de samenleving meer gemak en veiligheid kunnen bieden.

Referenties

[1] Edmund Chong, Monica Moroni, Christopher Wilson, et al. Het manipuleren van synthetische synthetische optogenetische geuren onthult de codeerlogica van reukperceptie Science 2020, 368, 6497.

[2]LuluGuo,JieCheng,ShuoLian,etal.Structurele basisvanaminegeurwaarnemingdooryamammalolfactorischereceptor.Nature2023,618,193.

[3]JiaDuan,PeiyuXu,XiaodongLuan,etal.Hormoon- en antilichaam-gemedieerde activering van de thyrotropinereceptor.Nature2022,609,854.

[4]BrianK.Lee,EmilyJ.Mayhew,BenjaminSanchez-Lengeling,etal.Een hoofdgeurkaart verenigtdiverse takeninolfactorischeperceptie.Science2023,381,999.