狗，憑藉極為靈敏的嗅覺，能幫我們尋找失蹤人員，搜查違禁物品，甚至還能聞出人有沒有生病，是不是感染了新冠病毒。有一組科學家想得更遠，他們希望這些人類的好朋友還能成為人工智慧（AI）的好教練，教AI學會分辨人的“癌味兒”。

近日，他們發表研究論文對這一想法進行了概念驗證：讓兩條訓練有素的醫療檢測犬向機器學習演算法“傳授”如何從人的尿液樣本中檢出前列腺癌。研究結果發表在 PLOS ONE。

這樣的病例還不少。後來人們陸續發現，專門受訓的醫療檢測犬可以從人的呼吸、唾液、血液、尿液、糞便中，聞出肺癌、前列腺癌、乳腺癌、膀胱癌、卵巢癌等多種癌症。科學家們分析指出，這是因為疾病導致人分泌出的揮發性物質組成發生變化，人類的鼻子聞不出異樣，狗卻能察覺出“癌味兒”。

更令人稱奇的是，狗嗅檢癌症的準確性驚人。曾有研究者讓醫療檢測犬聞了近900份尿液樣本，判斷其中是否有前列腺癌，識別出病例的敏感性高達99%，比儀器分析還靈。真是了不起的癌症篩查小能手！

“狗並不會檢視一長串化合物列表，它們是透過氣味特徵來判斷的，這意味著它們以某種我們不知道的方式找出了癌症的本質。”麻省理工學院（MIT）的科學家 Andreas Mershin 博士這樣認為，“只會檢視成分列表的分析工具可做不到這一點。”

受狗的啟發，Mershin博士與同事們腦洞大開，決定開發一種AI，讓人工神經網路模仿狗的診斷。

領銜這項研究的Andreas Mershin博士（圖片來源：mershin.org；Credit：David Sella）

為此，他們從英國醫療檢測犬專案中請來了4歲的 Florin，一條雌性拉布拉多；以及7歲的 Midas，一條雌性匈牙利維茲拉犬。

研究人員收集了50份男性尿液樣本，其中12份來自已確診的前列腺癌患者。他們先用其中5份癌症樣本和15份陰性樣本對狗進行訓練。當 Florin 或 Midas 判斷容器裡的尿液來自癌症患者，它們就會盯住容器或坐在樣本前不動。如果判斷正確，它們能贏得應有的獎賞。

Florin正在檢查轉盤上的尿液樣本，選對了有獎勵（圖片來源：參考資料[2]；Credit：John Akehurst，MDD）

訓練之後，研究人員用剩餘的尿液樣本對兩條狗進行了測驗。它倆取得了頗為優異的成績：在7份陽性樣本中準確地鑑定出5份，敏感性達到71%；在21份陰性樣本中，分別做出16次和14次正確的決定。

“我們沒有讓它們的成績達到99%，儘管如果加大訓練，它們確實可以做到。”研究人員解釋說，因為這個準確度已經足夠讓機器學習演算法好好學一學了。

接下來，研究人員利用氣相色譜-質譜（GC-MS）分析了每份尿液中的揮發性化合物，同時還利用測序技術分析了尿液中自然存在的微生物，尋找前列腺癌陽性樣本與陰性樣本之間的區別。對於狗能區分出來的尿液樣本，兩組分析結果表明確實存在一系列差異。

然後，研究人員使用狗的診斷資料訓練了一個人工神經網路，讓AI學習識別資料中影響狗狗判斷的特定部分，也就是陽性樣本和陰性樣本之間的特異性差別，從而建立了一種結合多種引數的綜合診斷方法。

研究人員在這篇論文中總結道：“我們的研究表明，即使只提供少量氣味複雜的樣品，狗也能區分出不同，並學習和提高檢測技能。我們的挑戰是把狗智慧移植到機器上。”

Mershin 博士表示，在驗證了方法的可行性後，他們會進一步加大訓練，以期把這種演算法應用到智慧手機中，打造出可以方便檢測多種癌症的“電子鼻”，並最終達到與狗鼻子相媲美的準確度。

參考資料：[1] Guest C. et al. (2021) Feasibility of integrating canine olfaction with chemical and microbial profiling of urine to detect lethal prostate cancer. PLoS ONE https://doi.org/10.1371/journal.pone.0245530[2] Dogs are teaching machines to sniff out cancer. Retrieved Feb. 20, 2021 from https://www.the-scientist.com/news-opinion/dogs-are-teaching-machines-to-sniff-out-cancer-68469