コロナ探知犬、匂いで感染者発見。e-Noseの教育方法

5月ぐらいに、こんな記事を読みました。9割以上の精度で、感染者を嗅ぎ分けているといいます。ウイルス自体に匂いがあるのでなく、感染者の汗に含まれる何かに反応するようです。

味覚はよく知られているように5種類しか無いそうですが、哺乳類は1000種類ぐらいの匂いを嗅ぎ分けられると言います。それは、1000種類のセンサーがあるのではなく、数種類のセンサーからの出力パターンの違いが区別できると言うことです。光は3原色で100万色を表現できるのと同じです。

例えば、人間が悪臭と感じる臭いは、悪臭防止法で規制されています。
どんなパターンがあるかというと、次のようになります。

nameoffensive odorCAS
アンモニアAmmonia7664-41-7し尿のような臭いammoniacal
メチルメルカプタンmethyl mercaptan74-93-1腐ったタマネギのような臭いdecomposing cabbage garlic
硫化水素Hydrogen Sulfide7783-06-4腐った卵のような臭いodor of rotten eggs
硫化メチルdimethyl sulfide75-18-3腐ったタマネギ、磯cabbage-like smell
二硫化メチルdimethyl disulfide624-92-0腐った野菜、ニンニク
トリメチルアミンtrimethylamine75-50-3腐った魚、アンモニアstrong “fishy” odor
アセトアルデヒドacetaldehyde75-07-0刺激的な青臭い臭いPungent, fruity odor
プロピオンアルデヒドpropionaldehyde123-38-6刺激的な甘酸っぱい焦げた臭いpungent odor
ブチルアルデヒドbutyraldehyde123-72-8刺激的な甘酸っぱい焦げた臭いpungent odor
イソブチルアルデヒドisobutyraldehyde78-84-2刺激的な甘酸っぱい焦げた臭いpungent odor
バレルアルデヒドpentanal110-62-3むせるような甘酸っぱい焦げた臭い
イソバレルアルデヒド3-methylbutanal590-86-3むせるような甘酸っぱい焦げた臭い
イソブタノールisobutanol78-83-1発酵し た果実sweet musty odor
酢酸エチルethyl acetate141-78-6刺激的なシンナーのような臭い
メチルイソブチルケトン4-methyl-2-pentanone108-10-1刺激的なシンナーのような臭いFruity, Ethereal, Spicy
トルエンtoluene108-88-3ガソリンのような臭いsweet
スチレンstyrene100-42-5都市ガスのような臭いsweet balsam floral plastic
キシレンxyleneガソリンのような臭い
プロピオン酸propanoic acid79-09-4刺激的な酸っぱい臭いPungent acidic and dairy-like
ノルマル酪酸butyric acid107-92-6汗臭いSharp, dairy-like, cheesy, buttery with a fruity nuance
ノルマル吉草酸pentanoic acid109-52-4むれた靴下のような臭いAcidic and sharp, cheese-like, sour milky, tobacco, with fruity nuances
イソ吉草酸3-methylbutanoic acid503-74-2むれた靴下のような臭いCheese, dairy, acidic, sour, pungent, fruity, stinky, ripe fatty and fruity notes
インドールSkatole83-34-1悪臭;少量では香水に〕very strong animal fecal indole civet
カダベリンCadaverine462-94-2死体のにおいcadaverous
プトレシン1,4-Butanediamine110-60-1腐った肉のにおいcadaverous

言葉で、匂いを伝えるのは難しいでしょう。
でも、ハンセン溶解度パラメータを使うと、

臭気タイプdDdPdHdodHacname
腐ったタマネギのような臭い17.65.806メチルメルカプタン
腐ったタマネギ、磯17.54.504.3硫化メチル
腐った野菜、ニンニク177.804.5二硫化メチル
臭気タイプdDdPdHdodHacname
刺激的な青臭い臭い1613.709.5アセトアルデヒド
刺激的な甘酸っぱい焦げた臭い15.710.807.2プロピオンアルデヒド
刺激的な甘酸っぱい焦げた臭い15.98.605.9ブチルアルデヒド
刺激的な甘酸っぱい焦げた臭い15.68.405.1イソブチルアルデヒド
むせるような甘酸っぱい焦げた臭い167.505.5バレルアルデヒド
むせるような甘酸っぱい焦げた臭い15.57.104.8イソバレルアルデヒド
臭気タイプdDdPdHdodHacname
刺激的なシンナーのような臭い15.85.807.5酢酸エチル
刺激的なシンナーのような臭い15.75.903.8メチルイソブチルケトン
ガソリンのような臭い17.62.804.4トルエン
都市ガスのような臭い17.52.403.8スチレン
ガソリンのような臭い17.82.703.5キシレン

つまり、HSPが似ていると匂いも似ているのです。
詳しいことは、私のWebページ
ハンセン溶解度パラメータ(HSP)と悪臭
香りとハンセン溶解度パラメータ(HSP)
を参照してください。

そこで、私たちは「HSPが似ていると、嗅覚細胞への溶解性も似ている」と考えています。

実は、私がHSPの開発に入ったきっかけは、この匂いです。
CALTECHの友人が、e-Nose(人工の鼻)を検討していました。(2008年のこと)

彼らの方法は、電極の上に7種類のポリマーを被覆します。
そこに匂い物質が溶解すると膨潤して、センサー信号が得られます。時間が経つと脱離します。
7種類のセンサーから得られる信号をニューラルネットワークに学習させて匂いを特定すると言う方法です。

どんなポリマーを被覆に使ったら良いか?
特徴的なハンセン溶解度パラメータのポリマーを使うのが良いでしょう。

と言うことで、ハンセン先生、アボット先生との付き合いが始まりました。

コロナ探知犬に教育する時には、匂いを嗅がせ、これは感染者、これは非感染者と正しく認識するまで教えるのでしょう。ガスクロを使って、この成分があったら感染者と言うのとは全然違う方法です。
e-Noseの教育方法もコロナ探知犬に教育するのと全く同じです。データ丼のところで説明しましたが、因果関係では無いのです。

因果関係がわからないときには、私は定性的なSOMを使うことが多いです。。
今回は、塩野義のコロナ用の経口薬S-217622を例題にAIへの教育方法を学びましょう。
塩野義のコロナ用の経口薬S-217622はオミクロン株にも有効だったとか、今日の新聞に載っていました。細胞内で「プロテアーゼ」と呼ぶ酵素の働きを抑えるらしいです。
その時、HSPの研究者は、この薬と酵素のどこかのHSPが似ていているのでは無いかと考えます。

こんな大きな化合物は匂いはないでしょうから、3つに分けた部分構造を考えます。
このぐらいであれば温度を高くすれば匂いはあるかもしれません。

それでは、S-217622の左側(L)、真ん中(C)、右側(R)の部分構造のハンセン溶解度パラメータ(HSP)が汗に含まれているとして、実際にe-Noseに学ばせてみましょう。

readボタンを押してデータを読み込んでください。そして、Startボタンを押すと自己組織化ニューラルネットワークの学習が始まります。S-217622以外のデータは、先程の悪臭のHSPのデータです。動きが止まったらStopボタンを押してください。

このSOMが何を学習したかというと、HSPの4次元ベクトルを、似たベクトルを似た2次元上位置にマッピングすることです。
乱数を使うので、計算するたびに答えは動きますが、相対位置はあまり変わりません。


こうしたSOMが得られた場合、S-217622のそばにある(HSPが近い)化合物の匂いに近いと言えます。例えば、S-217622が加水分解して汗に混じると、刺激青臭、刺激シンナー、腐った肉、発酵果実の匂いが混じったような匂いと感じるAIに育つと言うことです。

この2次元の適当な位置に7つの匂いセンサーを置いておけば、カリフォルニア工科大学(CALTECH)のe-Noseになります。
普通の人の汗をe-Noseにかがせる。人によって体臭は異なるのである程度幅のあるセンサー群にシグナルのある結果が得られます。
コロナに感染している人の匂いは、普通の人の汗にはないパターンが何処かにあるのです。そこで、例えばS-217622, -L, -C, -Rの領域のセンサーが独特のパターンを示すのです。

今回は悪臭の狭いHSPを使ったので、S-217622は外れにきてしまいました。本来はアムーアのリストを使うべきだったかもしれません。ただ、AIであってもコロナ探知犬も学習でやる事は同じと言うあたりはとても面白いのではないでしょうか?

コロナ探知犬をe-Nose装備のAIにDX するのであれば、普通の人の汗と、感染者の汗を今のうちに集めておく必要があります。そうすれば、コンサート会場の入り口で、入場者を振り分けることができるようになります。一つ作ればいくらでもコピーできるので、空港だとか飲食店だとか、犬型とか猫型とかいくらでも考えられます。

そんなものを作るような、予算を何処か出さないものでしょうか?