腦洞大開！科學家讓人工智能跟狗學癌症檢測

狗，憑借極為靈敏的嗅覺，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能（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

醫療檢測犬Florin和Midas

狗能聞出癌味兒其實不算新聞。早在幾十年前，人們就注意到，有些寵物狗在主人還沒有覺察出任何症狀時就能聞出異常。著名的醫學雜志《柳葉刀》就報道過這樣的病例：有人發現自家的狗突然對她腿上的痣特別感興趣，狗的異常表現促使她去醫院做了檢查，結果發現，那顆「痣」原來是皮膚癌！

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」。

圖片來源：123RF

更令人稱奇的是，狗嗅檢癌症的准確性驚人。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！

「狗並不會查看一長串化合物列表，它們是通過氣味特征來判斷的，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

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

領銜這項研究的Andreas

為此，他們從英國醫療檢測犬項目中請來了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判斷容器裏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，選對了有東西吃（圖片來源：參考資料<2>；Credit：John

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份陽性樣本中准確地鑒定出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，特異性達到70%~76%。

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

圖片來源：123RF

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數據訓練了一個人工神經網絡，讓AI學習識別數據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參數的綜合診斷方法。

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。而我們的挑戰是把狗智能移植到機器上。」

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，以期把這種算法應用到智能手機中，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准確度。