Как научить сенсор распознавать рак не хуже, чем это делает собака

Хрупкость канарейки, помет чайки и сияние маленькой рыбки

Мы используем сверхчувствительность разных животных, чтобы предсказывать будущее и получать информацию об окружающем мире и о себе. Таких животных называют индикаторами. Они помогают усиливать сигнал, который нам с нашими органами чувств и даже с нашими приборами может быть недоступен. Петухи будили нас потому, что чувствовали рассвет. Другой пример: низкий полет стрижей рассказывал о росте атмосферного давления перед бурей.

Позже появились будильники и барометры, но мы все равно продолжаем использовать суперспособности разных животных. Самая известная такая история, конечно, это канарейки в шахте. Люди 100 лет использовали суперчувствительность этой маленькой птицы к угарному газу. Это смертельно ядовитое вещество, которое не имеет цвета и запаха, и в угольных шахтах легко можно было не уследить за его накоплением и запросто угореть. Но канарейки гораздо чувствительнее людей и перестают петь, если им что-то не так. Так, благодаря своей хрупкости канарейки спасли не одну сотню жизней.

А вот история про птиц, которые могут стать великолепным усилителем сигнала, но, наоборот, за счет живучести. Ученые предложили использовать помет чаек, чтобы оценивать количество опасных бактерий вокруг нас. Такие бактерии, например сальмонелла, вызывают кишечные инфекции, иногда устойчивые к антибиотикам. Можно вести обычный мониторинг канализаций и помоек, но ничего там не найти. А вот сбор помета в колониях чаек, которые питаются на тех же наших помойках, дает отличный сигнал. Потому что чайки очень живучие и отлично размножают в себе такие бактерии, они им нипочем. Размножают — значит, усиливают сигнал о том, что нас окружили опасные бактерии. Это еще и мерило давления антибиотиков в конкретной местности, насколько у нас запущена ситуация с бесконтрольным выписыванием антибиотиков или покупкой их без рецепта. Там, где процветает такой подход, и в помете чаек будет больше устойчивых к антибиотикам бактерий.

Следующая история — про рыбку данио, которая не умеет нам рассказывать про свои суперчувства, поэтому пришлось ее проапгрейдить. Данио очень чувствительны к присутствию тяжелых металлов в воде, но, конечно, никак не могут о них сообщить. С помощью генной инженерии ученые прикрутили к рыбке «усилитель» — ген, взятый у морских медуз, который заставляет медуз светиться. И теперь в специальном тестовом аквариуме на станции мониторинга в Сингапуре течет вода из водохранилища, и там сидят рыбки данио. В момент, когда содержание опасных веществ повышается, у такой рыбки начинается безмолвный стресс, но благодаря генной инженерии она вспыхивает ярко-зеленым медузьим светом, и это засекает специальный компьютер.

Собаки умеют вынюхивать рак

Но главное животное, суперчувствительность которого люди используют уже много тысяч лет, — это собака. Она помогает на охоте, охраняет дом, находит потерянные вещи и контрабанду, спасает людей из-под завалов и в горах, а в последние годы собачий нюх все чаще используют для диагностики болезней.

На этой неделе группа ученых из MIT (Массачусетского технологического института) опубликовала первое в истории исследование, в нем они пишут, что наконец-то изобрели чип, который умеет «вынюхивать» рак простаты из анализов мочи не хуже, чем собаки. Илья Колмановский позвонил одному из авторов работы — профессору Андреасу Мершину. Профессор рассказал:

— Самое важное про собак — что они могут обобщать. Они учатся на одном раке и умеют потом понимать, где есть другого типа рак. И никакая аналитическая версия нашей науки не может это сделать, потому что собаки чувствуют, каков характер запаха, а наши аналитические техники нам дают лишь имена молекул и их концентрации. Знать, из чего что-то сделано, не то же самое, что знать, чем это будет пахнуть. А вот собаки знают, как рак пахнет, при этом не знают, из чего этот запах сделан. Им это неважно, они не химики. Они просто нюхают.

Много лет назад Андреас Мершин узнал удивительную историю о собаке, которая была натренирована на обнаружение рака мочевого пузыря у людей. И это изменило его жизнь.

— Это очень известный случай. Эта собака упорно неправильно диагностировала одного пациента — точнее сказать, не пациента, это был человек из контрольной группы. У него не нашли рака мочевого пузыря, и у него взяли анализ мочи, чтобы натаскивать на него собаку — чтоб пес понимал разницу. Но проблема была в том, что собака упорно указывала на анализы этого человека. Об этой собаке вышла даже публикация, исследование показало ее эффективность в 41%. Шанс угадать случайно был 14%, а собака отгадывала рак с точностью в 41% . Это в 3 раза выше. Хорошо, да? Но не отлично, а просто хорошо. Отлично не получалось как раз из-за того «непациента». Этот человек, конечно, запаниковал и пошел снова сдавать анализы, и снова, и снова, пока на какой-то раз анализы не показали раннюю стадию рака мочевого пузыря.

То есть получилось, что собака обнаружила рак раньше, чем наши лабораторные методы и, возможно, спасла человеку жизнь. Об этом случае были написаны книга и куча статей. И позже Андреас Мершин узнал еще о другой собаке. Она тоже была натренирована на поиск рака мочевого пузыря, а в итоге учуяла у пациентки другой рак — опухоль груди. Профессор рассказывает:

— Получается, собака как бы выучила «мелодию» рака, она знает, как он проявляется на самом деле на любых пробах, которые ты ей даешь. Эти две вещи поменяли мое представление о том, чем я в этой жизни должен заниматься. Я решил, что «засуну» собак к нам в телефоны.

Почему сенсор «тупее» собаки

Профессор Мершин рассказывает:

— Я работал в лаборатории, где оборудования на 100 с лишним миллионов долларов, но оно находит рак хуже, чем собака, которая тренировалась несколько недель. Почему же собака способна на такое, а все мое оборудование — нет? 10 лет назад мы сделали сенсор, в 200 раз чувствительнее, чем собачий нос. Но он, конечно, был очень-очень тупым, совсем не таким умным, как собака. Это был просто сенсор.

Он просто улавливал, но не понимал, что за запах чувствует и что этот запах означает. Его надо было научить отдельно на одной молекуле, потом на другой, и еще, и еще, а ведь наш мир состоит из миллионов разных запахов. А вот у собак нет проблем с тем, чтобы выделить нужный запах на общем фоне.

Мы не знаем, почему рак пахнет так, как он пахнет, и мы не знаем, болен ли конкретно этот человек. Нужно, чтобы нейросеть могла забыть про первый вопрос и просто решать второй. А для этого важно понять, как это делает собака.

Собаки не знают химии, не понимают, что такое рак. Они не знают ни названий пахнущих веществ, ни химического состава — вообще ничего не знают. Они просто делают то, что делаете вы, когда чувствуете запах кофе. В кофе 802 летучих вещества, и у вас нет никакого списка названий и их концентрации, у вас просто возникает некоторое чувство ассоциации. Вот и собаки действуют похожим образом, они что-то чувствуют, интерпретируют это как рак, потому что их натренировали искать его проявления.

А значит, эту идею надо использовать в обучении машины — научить ее распознавать рак, оставаясь необразованной, оставив за скобками суть и определение десятков типов молекул.

Даешь «собачий нос» каждому смартфону!

Итак, главной задачей ученых было сделать высокочувствительный «нос» и сымитировать собачий интеллект. Мершин с коллегами начали обучать эти механические «носы» различным факторам. Добавили к механическим «носам» искусственный интеллект и машинное обучение. Профессор рассказывает:

— Как натренировать машину, чтобы она вела себя как собака? Это очень просто. Надо просто тренировать машины так же, как собак. Вот и все! Дрессировщик выгуливает собаку, потом нажимает на кнопку, которая издает звук, чтобы собака могла начать унюхивать и выдавать ответ.

Мы хотели добиться того же на аппарате, поэтому мы сымитировали это обучение и «скормили» машине те же данные, дали ей те же физические объекты, на которые она должна была реагировать, чтобы их определять. И если сымитировать обучение на тех же предметах, что есть в распоряжении у собаки, результаты выходят примерно одинаковыми. То есть сказать, какой список результатов был получен носом собаки, а какой — машиной, невозможно, и это то, что называют эквивалентами Тьюринга. Это значит, что я, опытный ученый, не могу различить результаты, полученные собакой и машиной.

Профессор предлагает пойти дальше и оснастить смартфоны «собачьим носом». В смартфон можно встроить необходимые сенсоры, а еще у него есть вычислительные мощности для анализа данных. Если у многих людей будут сенсоры на телефонах, и днем и ночью через них будет проходить мощный поток данных, ученые смогут эти данные собирать, отфильтровывать, находить новые признаки болезней, о которых у людей даже представления не было. Это такое светлое будущее — постоянное обучение нейросети и развитие механических «носов».

Андреас Мершин утверждает:

— Думаю, «нос» скоро станет частью смартфона. И это вызовет резонанс, сопоставимый с появлением камеры в телефоне. Когда на смартфоне появилась первая камера, это полностью изменило журналистику. И полностью изменило мир. И теперь скоро будет фотоаппарат для молекул на телефоне, который будет помогать диагностировать разные болезни, в том числе и ковид, и рак, и другие!