脑洞大开:科学家让人工智能跟狗学癌症检测

狗,凭借极为灵敏的嗅觉,能帮我们寻找失踪人员,搜查违禁物品,甚至还能闻出人有没有生病,是不是感染了新冠病毒。有一组科学家想得更远,他们希望这些人类的好朋友还能成为人工智能(AI)的好教练,教AI学会分辨人的“癌味儿”。

近日,他们发表研究论文对这一想法进行了概念验证:让两条训练有素的医疗检测犬向机器学习算法“传授”如何从人的尿液样本中检出前列腺癌。研究结果发表在PLOS ONE。

医疗检测犬Florin和Midas

狗能闻出癌味儿其实不算新闻。早在几十年前,人们就注意到,有些宠物狗在主人还没有觉察出任何症状时就能闻出异常。著名的医学杂志《柳叶刀》就报道过这样的病例:有人发现自家的狗突然对她腿上的痣特别感兴趣,狗的异常表现促使她去医院做了检查,结果发现,那颗“痣”原来是皮肤癌!

这样的病例还不少。后来人们陆续发现,专门受训的医疗检测犬可以从人的呼吸、唾液、血液、尿液、粪便中,闻出肺癌、前列腺癌、乳腺癌、膀胱癌、卵巢癌等多种癌症。科学家们分析指出,这是因为疾病导致人分泌出的挥发性物质组成发生变化,人类的鼻子闻不出异样,狗却能察觉出“癌味儿”。

更令人称奇的是,狗嗅检癌症的准确性惊人。曾有研究者让医疗检测犬闻了近900份尿液样本,判断其中是否有前列腺癌,识别出病例的敏感性高达99%,比仪器分析还灵。真是了不起的癌症筛查小能手!

“狗并不会查看一长串化合物列表,它们是通过气味特征来判断的,这意味着它们以某种我们不知道的方式找出了癌症的本质。”麻省理工学院(MIT)的科学家Andreas Mershin博士认为,“只会查看成分列表的分析工具可做不到这一点。”

受狗的启发,Mershin博士与同事们脑洞大开,决定开发一种AI,让人工神经网络模仿狗的诊断。

领衔这项研究的Andreas Mershin博士(图片来源:mershin.org;Credit:David Sella)

为此,他们从英国医疗检测犬项目中请来了4岁的Florin,一条雌性拉布拉多;以及7岁的Midas,一条雌性匈牙利维兹拉犬。

研究人员收集了50份男性尿液样本,其中12份来自已确诊的前列腺癌患者。他们先用其中5份癌症样本和15份阴性样本对狗进行训练。当Florin或Midas判断容器里的尿液来自癌症患者,它们就会盯住容器或坐在样本前不动。如果判断正确,它们能赢得应有的奖赏。

Florin正在检查转盘上的尿液样本,选对了有东西吃(图片来源:参考资料[2];Credit:John Akehurst,MEDICAL DETECTION DOGS)

训练之后,研究人员用剩余的尿液样本对两条狗进行了测验。它俩取得了颇为优异的成绩:在7份阳性样本中准确地鉴定出5份,敏感性达到71%;在21份阴性样本中,分别做出16次和14次正确的决定,特异性达到70%~76%。

“我们没有让它们的成绩达到99%,尽管如果加大训练,它们确实可以做到。”研究人员解释说,因为这个准确度已经足够让机器学习算法好好学一学了。

接下来,研究人员利用气相色谱-质谱(GC-MS)分析了每份尿液中的挥发性化合物,同时还利用测序技术分析了尿液中自然存在的微生物,寻找前列腺癌阳性样本与阴性样本之间的区别。对于狗能区分出来的尿液样本,两组分析结果表明确实存在一系列差异。

然后,研究人员使用狗的诊断数据训练了一个人工神经网络,让AI学习识别数据中影响狗狗判断的特定部分,也就是阳性样本和阴性样本之间的特异性差别,从而建立了一种结合多种参数的综合诊断方法。

研究人员在这篇论文中总结道:“我们的研究表明,即使只提供少量气味复杂的样品,狗也能区分出不同,并学习和提高检测技能。而我们的挑战是把狗智能移植到机器上。”

Mershin博士表示,在验证了方法的可行性后,他们会进一步加大训练,以期把这种算法应用到智能手机中,打造出可以方便检测多种癌症的“电子鼻”,并最终达到与狗鼻子相媲美的准确度。

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