تحقیقات ثابت کرده سگ‌های تربیت شده می‌توانند سرطان و سایر بیماری‌ها را از طریق بو کشیدن تشخیص دهند. اکنون یک ردیاب کوچک‌سازی شده با استفاده از علم یادگیری ماشین و هوش مصنوعی ساخته شده است که می‌تواند مولکول‌های بو را برای تقلید از سگ‌ها تجزیه و تحلیل کند.
مطالعات نشان داده است که سگ‌های آموزش دیده می‌توانند انواع مختلف بیماری‌ها از جمله سرطان ریه، پستان، تخمدان، مثانه، پروستات و احتمالاً Covid-19 را به راحتی از طریق بو کشیدن تشخیص دهند. به عنوان مثال در برخی موارد از جمله سرطان پروستات، سگ‌ها با بوکشیدن نمونه ادرار بیماران تا 99 درصد بیماری را با موفقیت تشخیص می‌دهند.
اما آموزش چنین سگ‌هایی بسیار زمان‌بر می‌باشد، همچنین در دسترس بودن و زمان کارکرد آن‌ها بسیار محدود است. در همین راستا و برای حل مشکلات موجود دانشمندان در جستجوی روش‌هایی برای اتوماسیون‌کردن توانایی بویایی شگفت‌انگیز بینی و مغز سگ در یک دستگاه جمع و جور هستند.
اکنون تیمی از محققان در دانشگاه MIT با همکاری چند موسسه سیستمی را ارائه کرده‌اند که می‌تواند محتوای شیمیایی و میکروبی نمونه هوا را با حساسیتی حتی بیشتر از بینی سگ تشخیص دهد. آن‌ها این کار را با یک فرایند یادگیری ماشین همراه کردند که می‌تواند خصوصیات متمایز نمونه‌های بیماری را شناسایی کند. به گفته محققان یافته‌ها به گونه‌ای است که ممکن است به زودی منجر به یک سیستم خودکار تشخیص بو شود که بتوان آن را در تلفن همراه گنجاند.
نتیجه این تحقیقات امروز در مجله PLOS One در انگلستان تحت عنوان Claire Guest of Medical Detection Dogs منتشر شده است. آندریاس مرشین، دانشمند تحقیقاتی در دانشگاه MIT و 18 نفر دیگر در دانشگاه جان هاپکینز، بنیاد سرطان پروستات و چندین دانشگاه و سازمان دیگر در این تحقیقات شرکت داشتند.
مرشین در این رابطه می‌گوید: “حدود 15 سال است که سگ‌ها نشان داده‌اند توانایی ردیابی بسیاری از بیماری‌ها را دارند.” وی می‌گوید: “عملکرد آن‌ها در تست‌های کنترل شده در برخی موارد از بهترین تست‌های آزمایشگاهی فعلی فراتر رفته است و تاکنون انواع مختلفی از سرطان توسط سگ‌ها زودتر از هر فناوری دیگری تشخیص داده شده است.”
علاوه بر این سگ‌ها ظاهراً ارتباطاتی را در نظر می‌گیرند که تاکنون برای محققان انسانی پنهان مانده است. برخی از سگ‌ها پس از آموزش برای پاسخگویی به نمونه‌های بیماران مبتلا به یک نوع سرطان چندین نوع دیگر از سرطان را شناسایی کرده‌اند و این در شرایطی اتفاق افتاده که هیچ شباهتی بین نمونه‌های دو نوع از سرطان وجود نداشته است. مرشین می‌گوید: “این سگ‌ها می‌توانند سرطان‌هایی را که امضاهای بیومولکولی (شباهت‌های بیولوژیکی) یکسان ندارند شناسایی کنند.”
اگر شما نمونه‌هایی از مثلاً سرطان پوست، سرطان مثانه، سرطان سینه و ریه را تجزیه و تحلیل کنید (همه‌ی چیزهایی که یک سگ تشخیص داده است) هیچ چیز مشترکی بین آن‌ها وجود ندارد. با این حال سگ می‌تواند آموزش‌های خود را از یک نوع سرطان به گونه‌ای تعمیم دهد که بتواند سایر بیماری‌ها را شناسایی کند. مرشین و تیم وی طی چند سال گذشته سیستم ردیاب کوچک سازی شده‌ای را ایجاد کرده‌اند که شبیه به گیرنده‌های بویایی پستانداران است و با استفاده از قابلیت‌های یک تلفن هوشمند معمولی می‌توان جریان داده‌های آن را مدیریت کرد.
وی روزی را تصور می‌کند که در هر گوشی تلفن همراه یک ردیاب رایحه تعبیه شده باشد، همانطور که امروزه وجود دوربین در گوشی‌ها همه‌گیر شده است. او می‌گوید: “چنین سیستم‌هایی که به الگوریتم‌های پیشرفته‌ی یادگیری ماشین مجهز هستند می‌توانند علائم اولیه بیماری را خیلی زودتر از پروسه‌های معمول غربالگری تشخیص دهند و حتی می‌توان از آن‌ها برای هشدار تشخیص دود و یا نشت گاز استفاده کرد.”
در یک آزمایش تیم با استفاده از یک سگ که در سازمان تربیت سگ‌های تشخیص پزشکی در انگلیس آموزش دیده بود و یک سیستم تشخیص مصنوعی 50 نمونه ادرار از موارد تایید شده سرطان پروستات را آزمایش کردند. در آزمایش نمونه‌ها سیستم هوش مصنوعی توانست با موفقیت بیش از 70 درصد موارد ابتلا را تشخیص دهد در حالی که سگ توانست 55 درصد نمونه‌ها را با موفقیت شناسایی کند.
مرشین می‌گوید: “سیستم تشخیص مصنوعی در واقع 200 برابر حساس‌تر از بینی سگ است و می‌تواند کوچکترین آثار از مولکول‌های مختلف موجود در هوا را شناسایی کند.” وی ادامه می‌دهد که: “سگ‌ها چیزی از علم شیمی نمی‌دانند. آن‌ها نمی‌توانند لیستی از مولکول‌ها را در مغز خود تصور کنند. وقتی انسان یک فنجان قهوه را بو می‌کند لیستی از نام‌ها و غلظت‌ها را نمی‌بیند اما حس یکپارچه‌ای خواهد داشت. این حس یا شخصیت یک رایحه همان چیزی است که سگ‌ها می‌توانند آن را استخراج کنند.”
دستگاه فیزیکی برای شناسایی و تجزیه و تحلیل مولکول‌های هوا سال‌ها در حال توسعه بوده است اما این تمرکز بیشتر بر کاهش اندازه آن تاکید داشته و تاکنون کاری در زمینه تجزیه و تحلیل انجام نشده است. وی می‌گوید: “ما می‌دانستیم كه سنسورها از نظر حد تشخیص بهتر از سگ‌ها می‌توانند شناسایی را انجام دهند، اما آنچه قبلاً انجام نداده بودیم آن است كه یك هوش مصنوعی را برای تقلید از سگ‌ها آموزش دهیم، کاری که اکنون ثابت کردیم می‌توانیم انجام دهیم. ما ثابت کردیم که آنچه سگ انجام می‌دهد تا حد زیادی قابل یادگیری و تکرار است.”
محققان می‌گویند: “این دستاورد چارچوبی محکم برای تحقیقات بیشتر جهت توسعه فناوری تا سطوح مناسب برای استفاده‌های بالینی را فراهم می‌کند.” مرشین امیدوار است که بتواند مجموعه‌ای از نمونه‌های بزرگ‌تر، شاید 5000 عدد را آزمایش کند تا با جزئیات بیشتری شاخص‌های قابل توجه بیماری‌ها را مشخص کند. اما چنین آزمایشی اصلا ارزان نیست و برای جمع‌آوری، مستند سازی، حمل و تجزیه و تحلیل ادرار ناقل بیماری برای هر نمونه حدود 1000 دلار هزینه در پی خواهد داشت.
مرشین با تأمل در مورد چگونگی درگیر شدن در این تحقیق مطالعه‌ای در مورد کشف سرطان مثانه را به خاطر آورد. جایی که در آن یک سگ مرتباً یکی از اعضای گروه کنترل را به عنوان مثبت بودن بیماری شناسایی می‌کرد، اگرچه که او به وضوح بر اساس نتایج آزمایشات بیمارستانی عاری از بیماری تشخیص داده شده بود. این بیمار که درباره واکنش‌های سگ اطلاع داشت تصمیم گرفت آزمایشات بیشتری انجام دهد و چند ماه بعد مشخص شد که وی بیمار است و بیماری او در مراحل اولیه قرار دارد.
مرشین در این رابطه می‌گوید: “اگرچه این فقط یک مورد خاص بوده اما باید اعتراف کنم که مرا تحت تأثیر قرار داده است.” تیم تحقیقاتی این پروژه شامل محققانی از دانشگاه‌های MIT، دانشگاه جان هاپکینز در مریلند، سازمان سگ‌های تشخیص پزشکی در میلتون کینز انگلستان، گروه پلیمر کمبریج، بنیاد سرطان پروستات، دانشگاه تگزاس در ال پاسو و دانشگاه هاروارد بود. همچنین شایان ذکر است این تحقیق توسط بنیاد سرطان پروستات، انستیتوی ملی سرطان و انستیتوی ملی بهداشت حمایت شده است.
