Глен Дж. Голден, Государственный университет Колорадо
Примечание редактора: по мере того как COVID-19 продолжает распространяться по всему миру, ученые анализируют новые способы его отслеживания. Один из многообещающих подходов - это обучение собак обнаруживать инфицированных людей по запаху человеческой мочи или пота. Ученый-исследователь Глен Голден, который обучил собак и хорьков обнаруживать птичий грипп у птиц, объясняет, почему некоторые животные хорошо подходят для вынюхивания болезней.
1. Какие виды склонны к болезням?
У некоторых животных сильно развито обоняние. К ним относятся грызуны; собаки и их дикие сородичи, такие как волки и койоты; и куньих - хищных млекопитающих, таких как ласки, выдры и хорьки. Мозг этих видов имеет в три или более раз больше функциональных нейронов обонятельных рецепторов - нервных клеток, которые реагируют на запахи, - чем виды с менее острыми способностями обоняния, включая людей и других приматов.
Эти нейроны отвечают за обнаружение и идентификацию летучих обонятельных соединений, которые посылают значимые сигналы, такие как дым от костра или аромат свежего мяса. Вещество является летучим, если оно легко превращается из жидкости в газ при низких температурах, например, ацетон, придающий жидкости для снятия лака фруктовый запах. Когда он испаряется, он может быстро распространяться по воздуху.
Когда одно из этих животных улавливает значимый запах, химический сигнал преобразуется в сообщения и разносится по его мозгу. Сообщения поступают одновременно в обонятельную кору, которая отвечает за идентификацию, локализацию и запоминание запаха, а также в другие области мозга, ответственные за принятие решений и эмоции. Таким образом, эти животные могут обнаруживать многие химические сигналы на больших расстояниях и могут быстро и точно создавать о них мысленные ассоциации.
2. Как исследователи выбирают целевой аромат?
В большинстве исследований, в которых использовались собаки для выявления рака, собаки идентифицировали физические образцы, такие как кожа, моча или дыхание, от пациентов, у которых либо был диагностирован рак, либо у которых рак был недиагностирован на ранней стадии. Ученые не знают, какой запах используют собаки и зависит ли он от типа рака.
Национальный исследовательский центр дикой природы Министерства сельского хозяйства США в Колорадо и Центр химических чувств Monell в Пенсильвании обучили мышей обнаруживать птичий грипп в образцах фекалий инфицированных уток. Птичий грипп трудно обнаружить в стадах диких животных, и он может передаваться людям, поэтому эта работа призвана помочь биологам-биологам отслеживать вспышки.
Лаборатория Кимбалла в Монелле научила мышей получать вознаграждение за запах подтвержденного положительного образца от инфицированного животного. Например, мыши могли напиться воды, когда спускались по рукаву Y-образного лабиринта, в котором находились фекалии утки, инфицированной вирусом птичьего гриппа.
Проведя химический анализ образцов фекалий, исследователи обнаружили, что концентрация летучих химических соединений в них изменилась, когда утка заразилась птичьим гриппом. Таким образом, они пришли к выводу, что мыши распознали этот измененный профиль запаха.
На основе этой работы мы обучили хорьков и собак обнаруживать птичий грипп у домашних птиц, таких как дикие утки и домашние куры, в рамках совместного исследования, проведенного Государственным университетом Колорадо и Национальным исследовательским центром дикой природы, которое в настоящее время находится на рассмотрении для публикации.
Что касается хорьков, мы начали с того, что научили их предупреждать или сигнализировать об обнаружении целевого запаха, царапая коробку с высоким содержанием этих летучих соединений и игнорируя коробки с низким содержанием. Затем мы показали образцы кала хорьков как от инфицированной, так и от незараженной утки, и хорьки сразу же начали предупреждать о коробке, содержащей образец кала от инфицированной утки.
Этот подход аналогичен способу обучения собак обнаруживать известные летучие запахи во взрывчатых веществах или запрещенных наркотиках. Однако иногда мы должны позволить животному-детектору определять профиль запаха, на который оно будет реагировать.
3. Можно ли обучить животных обнаруживать более одной цели?
да. Чтобы избежать путаницы в том, что обнаруживает дрессированное животное, мы можем научить его разной поведенческой реакции на каждый целевой запах.
Например, собаки, участвующие в Программе обнаружения собачьих заболеваний Службы дикой природы Министерства сельского хозяйства США, реагируют агрессивным предупреждением, таким как царапание, при обнаружении пробы от утки, зараженной птичьим гриппом. Когда они обнаруживают образец от белохвостого оленя, зараженного прионом, вызывающим хроническое истощение, они реагируют пассивным предупреждением, например, садятся.
Исследования, проведенные в Обернском университете, показали, что собаки могут запоминать и реагировать на 72 запаха во время выполнения задания на запоминание запахов. Единственное ограничение - это количество способов, которыми собака может сообщать о различных запахах.
4. Какие факторы могут усложнить этот процесс?
Во-первых, любая организация, которая обучает животных обнаруживать болезни, нуждается в соответствующей лаборатории и оборудовании. В зависимости от заболевания это могут быть средства индивидуальной защиты и фильтрация воздуха.
Другая проблема заключается в том, может ли патоген заразить животных-исследователей. Если есть риск, исследователям может потребоваться дезактивировать образцы, прежде чем подвергать животных воздействию. Затем им нужно посмотреть, изменил ли этот процесс летучие вещества, которые они учат животных ассоциировать с инфекцией.
Наконец, дрессировщики должны подумать о том, как усилить желаемый отклик от обнаружения животных в полевых условиях. Если они работают в группе, состоящей в основном из неинфицированных людей - например, в аэропорту - и у животного нет возможности получить вознаграждение, оно может потерять интерес и перестать работать. Мы ищем животных, у которых есть сильное желание работать без остановки, но работать в течение длительного времени без вознаграждения может быть непросто даже для самого целеустремленного животного.
5. Почему бы не построить машину, которая может это сделать?
Сейчас у нас нет таких чувствительных устройств, как животные с хорошо развитым обонянием. Например, обоняние собаки по крайней мере в 1000 раз более чувствительно, чем любое механическое устройство. Это может объяснить, почему собаки обнаружили рак в образцах тканей, которые были признаны не злокачественными.
Мы также знаем, что хорьки могут обнаружить инфекцию птичьего гриппа в образцах фекалий до и после того, как лабораторный анализ показывает, что вирус перестал выделяться. Это говорит о том, что для некоторых патогенов могут быть изменения летучих веществ у инфицированных, но протекающих бессимптомно.
По мере того как ученые узнают больше о том, как работает обоняние млекопитающих, у них будет больше шансов создать устройства, которые будут столь же чувствительны и надежны в обнаружении болезней.
Глен Дж. Голден, научный сотрудник / стипендиат I, Государственный университет Колорадо