AI vil kunne analysere forbindelser i pusten din. James Gathany

Kunstig intelligens (AI) er best kjent for sin evne til å se (som i driver biler) og lytt (som i Alexa og andre hjemmeassistenter). Fra nå av, det kan også lukte. Mine kolleger og jeg utvikler et AI-system som kan lukte menneskelig pust og lære å identifisere en rekke sykdom-avslørende stoffer som vi kan puste ut.

Luktsansansen brukes av dyr og til og med planter å identifisere hundrevis av forskjellige stoffer som flyter i luften. Men i forhold til andre dyr er den menneskelige luktesansen langt mindre utviklet og absolutt ikke brukt til å utføre daglige aktiviteter. Av denne grunn er mennesker ikke spesielt oppmerksomme på rikheten av informasjon som kan overføres gjennom luften, og kan oppfattes av et svært følsomt lyktesystem. AI kan være i ferd med å endre det.

I noen tiår har laboratorier over hele verden vært i stand til å bruke maskiner til å oppdage meget små mengder stoffer i luften. De maskinene, kalt gass-kromatografi massespektrometre eller GC-MS, kan analysere luften for å oppdage tusenvis av forskjellige molekyler kjent som flyktige organiske forbindelser.

I GC-MS-maskinen blir hver forbindelse i en prøve av luft først separert og deretter smadret opp i fragmenter, og skaper et karakteristisk fingeravtrykk hvorfra forbindelser kan gjenkjennes. Bildet nedenfor er en visualisering av en liten del av dataene fra en analyse av en pusteprøve.

Hver topp representerer et fragment av et molekyl. Spesielle mønstre av slike topper avslører tilstedeværelsen av forskjellige stoffer. Ofte selv den minste toppen kan være avgjørende. Blant de flere hundre forbindelsene som er tilstede i det menneskelige pusten, kan noen av dem avsløre forekomsten av ulike kreftformer, selv i de tidlige stadier. Laboratorier rundt om i verden eksperimenterer derfor med GC-MS som et ikke-invasivt diagnostisk verktøy for å identifisere mange sykdommer, smertefritt og i tide.

Dessverre kan prosessen være svært tidkrevende. Store mengder data må inspiseres manuelt og analyseres av eksperter. Den rene mengden forbindelser og kompleksiteten til dataene betyr at selv eksperter tar lang tid å analysere en enkelt prøve. Mennesker er også utsatt for feil, kan savne en sammensatt eller feile en forbindelse til en annen.

Hvordan kunstig intelligens kan hjelpe

Som en del av Loughborough University datavitenskapsteam, mine kolleger og jeg tilpasser den nyeste kunstige intelligens teknologien til å oppleve og lære en annen type data: de kjemiske forbindelsene i pusteprøver. Matematiske modeller inspirert av hjernen, kalt dype læringsnettverk, var spesielt konstruert for å "lese" sporene som var igjen av luktene.

Et team av leger, sykepleiere, radiografer og medisinske fysikere på Edinburgh Cancer Center Samlede pusteprøver fra deltakere som gjennomgår kreftbehandling. Prøvene ble deretter analysert av to lag av kjemikere og datavitenskapere.

Når en rekke forbindelser ble identifisert manuelt av kjemikerne, ble raske datamaskiner gitt dataene for å trene dype læringsnettverk. Beregningen ble akselerert av spesielle enheter, kalt GPUer, som kan behandle flere forskjellige deler av informasjon samtidig. De dype læringsnettene lærte mer og mer fra hver pusteprøve til de kunne gjenkjenne bestemte mønstre som viste bestemte forbindelser i pusten.

I denne første studien var det fokus på å gjenkjenne en gruppe kjemikalier, kalt aldehyder, som ofte er forbundet med dufter, men også menneskelige stressforhold og sykdommer.

Datamaskiner utstyrt med denne teknologien tar bare minutter å autonomt analysere en pusteprøve som tidligere tok timer av en menneskelig ekspert. Effektivt gjør AI hele prosessen billigere - men fremfor alt gjør den det mer pålitelig. Enda mer interessant, får denne intelligente programvaren kunnskap og forbedrer seg over tid, da den analyserer flere prøver. Som et resultat er metoden ikke begrenset til noe bestemt stoff. Ved hjelp av denne teknikken kan dype læringssystemer opplæres for å oppdage små mengder flyktige forbindelser med potensielt brede anvendelser innen medisin, rettsmedisin, miljøanalyse og andre.

Hvis et AI-system kan oppdage sykdomsmarkører, blir det også mulig å diagnostisere om vi er syke eller ikke. Dette har et stort potensial, men det kan også vise seg å være kontroversielt. Vi foreslår ganske enkelt at AI kan brukes som et verktøy for å oppdage stoffer i luften. Det trenger ikke nødvendigvis å diagnostisere eller ta en beslutning. De endelige konklusjonene og beslutningene blir overlatt til oss.

Om forfatteren

Andrea Soltoggio, foreleser, Loughborough University

Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på Den Conversation. Les opprinnelige artikkelen.

Relaterte bøker

at InnerSelf Market og Amazon