香りと感覚

人間が認識できない感覚世界は何百万も存在します。 野生のものがどのようなものであるかを理解することは、人間の感覚の限られた解像度を超えています。 たとえば、昆虫は匂いの世界に住んでおり、触角に漂う匂いの微妙な化学的ニュアンスを解読します。 イナゴ（特定の非社会的なバッタの群がって移動する形態）の場合、彼らの嗅覚はその身体的および共同体の変化と密接に結びついています。 特定の環境条件によってバッタは脱皮し、さらに多くのバッタを引き寄せるフェロモンを分泌します。1,2 数十億匹のバッタが古い体を脱ぎ捨て、孤独な存在となった後、太陽を覆い人類を苦しめる壊滅的な大群を形成します。 この劇的な身体とライフスタイルの変化は、微妙な匂いを感知し区別する彼らの優れた能力にかかっています。3

最近、ミシガン州立大学の生物医工学助教授であるデバジット・サハ氏と彼のチームは、バッタの脳の匂い感知回路を利用して、人間の口腔がんの匂いの特徴を検出しました。 サハ氏は以前、爆弾を嗅ぎ分けるためにイナゴを使用しており4、がん検出への移行は興味深いものとなった。 「がんは[細胞]代謝を変化させ、その変化は呼気に反映されます」とサハ氏は語った。 揮発性有機化合物 (VOC) として知られるこれらの独特の化学的特徴は、科学者が検出できれば、病気のバイオマーカーとして有望です。 他の研究者は、がんを識別するために電子鼻としても知られる人工センサーを設計していますが、その感度、特異性、速度は、嗅覚の領域に生息する生物と比較するとまだ限定的です。 サハ氏のチームは、自然界の最も強力なバイオセンサーを利用するために生物学に立ち返ろうとしている。 「私たちは生物の脳をバックエンジニアリングするのではなく、その計算をフォワードエンジニアリングしています」とサハ氏は語った。

サハ氏のチームは、バッタの脳の臭気処理回路を遮断して、フラスコ内で増殖するヒトの口腔がん細胞を検出して区別できるかどうかを検討し、その結果を「バイオセンサーとバイオエレクトロニクス」誌に報告した。5 彼らはバッタの脳手術を行い、脳に電極を挿入した。匂いを処理する脳の領域。 次に、サハ氏のチームは、3 つの異なる種類のヒト口腔がん細胞と健康なヒト口腔細胞の細胞培養からガスサンプルを収集しました。 彼らは、ガスサンプル（それぞれに対応する細胞からのVOCの異なる混合物が含まれている）をバッタの触角上に漂わせ、脳の電気活動を記録した。 複数のバッタからの結果をプールした後、サハのチームは、彼らの脳が異なる細胞タイプごとに異なる電気パターンを生成していることを発見した。 イナゴはがん細胞と健康な細胞を区別するだけでなく、さまざまな口腔がんの微妙な匂いの指紋も識別しました。

「これは私たちの分野に付加価値を与える重要な研究であり、いつか健康診断を行うための実際の装置につながる可能性がある」と、この研究には関与していないペンシルベニア州モネル化学感覚センターの化学生態学者ブルース・キンボール氏は語った。 キンボール氏によると、感覚ニューロン、人工センサー、その他の分析機器などの検出器と、生物脳、脳模倣チップ、機械学習などのパターン分析アルゴリズムを組み合わせれば、最終的には研究者がゴールラインを通過できるようになる可能性があるという。 十分な微調整が行われれば、そのようなシステムは「ほとんどの健康状態に関連する臭気を識別することにおそらく成功するでしょう」。

サハ氏は、バッタバイオセンサーの計算能力は現在の人工センサーの計算能力を上回っていると説明した。 イナゴは、限られた数の匂い受容体を使用して、さまざまな化学物質をコード化するほぼ無制限の能力を持っています。 「個々の成分を識別する必要はなく、混合物全体を取り出して（匂いの）指紋を作成するだけで済みます」とサハ氏は言う。 彼のチームは、培養細胞よりもはるかに複雑な香りの特徴を持つヒトの癌患者からの呼気サンプルをテストする予定です。 「それは大きな試練となるだろう。」