脑洞大开！科学家让人工智能跟狗学癌症检测

来源：学术经纬

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。

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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”。

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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。

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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。

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。

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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。

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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。