L’odorat est l’un des premiers sens formés dans le corps humain et constitue une réponse sensorielle très complexe. Le nez est comme un détecteur très sensible. Grâce à des millions de nerfs olfactifs, nous sommes capables de percevoir et de distinguer diverses molécules odorantes ayant des propriétés structurelles différentes, afin de pouvoir porter des jugements rapides dans des environnements complexes.

Source de l'image : Pexel

Avec le développement continu de la science et de la technologie, la technologie de reconnaissance olfactive de l’intelligence artificielle (IA) qui imite la perception olfactive humaine s’est développée rapidement. La technologie combine des algorithmes avancés d’apprentissage automatique et d’intelligence artificielle pour identifier diverses substances en détectant et en analysant les molécules odorantes. Les domaines d’application de la technologie olfactive de l’IA vont de la surveillance environnementale au diagnostic médical, de la sécurité alimentaire aux enquêtes criminelles, et son potentiel est illimité.

Alors que l’IA dans de nombreux domaines a dépassé les capacités humaines, nous ne pouvons nous empêcher de nous demander : dans « l’arène » de la perception olfactive,L’IA ou le nez humain, lequel a la meilleure perception des odeurs ?? Avant de découvrir la réponse à cette question, comprenons d’abord comment les humains et l’IA perçoivent les odeurs.

Comment le cerveau humain perçoit-il les odeurs ?

Le processus par lequel le cerveau perçoit l'odeur s'apparente à une « rencontre ».

Premièrement, les molécules odorantes arrivent tranquillement et pénètrent dans la cavité nasale. Il existe une zone spéciale au-dessus de la cavité nasale appelée épithélium olfactif.

Il existe ici un grand nombre de cellules réceptrices olfactives capables de reconnaître spécifiquement les molécules odorantes. Ces molécules odorantes voyagent dans la cavité nasale à la recherche de leurs partenaires, nos récepteurs olfactifs.

Les humains possèdent environ 400 récepteurs olfactifs fonctionnels. Une fois que ces récepteurs entrent en contact avec des molécules odorantes, ils provoquent immédiatement des modifications des signaux électriques et exécutent une « danse du choc électrique » pour transmettre des signaux au cerveau.

Ce signal traverse le nerf olfactif jusqu'à une zone spécifique du cerveau appelée bulbe olfactif.


Le rouge est le bulbe olfactif, source de l'image : Référence [1]

Dans le bulbe olfactif, ces signaux sont ensuite traités et analysés. L’information est ensuite envoyée aux zones du cerveau associées à la mémoire et aux émotions, comme l’hippocampe et l’amygdale. Le cerveau convertit ces signaux en sensations olfactives que nous pouvons reconnaître et comprendre, nous permettant ainsi d’expérimenter le goût, la texture et d’autres caractéristiques de l’odeur.

Enfin, le traitement des signaux nerveux olfactifs forme des représentations sémantiques décrivant diverses odeurs, comme le café, la rose, le durian, etc. Ce processus est si magique et exquis qu'il remplit nos vies de couleurs et de plaisir.

Comment l’IA « sent » les odeurs ?

Nous avons maintenant une compréhension générale des principes et des processus par lesquels le cerveau humain perçoit les odeurs. Alors, comment l'IA sent-elle diverses odeurs ?

L’IA « sent » les odeurs comme un « jeu de devinettes » basé sur la structure moléculaire.

L'odeur provient de molécules aux structures spécifiques, qui sont comme des « messagers » porteurs de signaux olfactifs. donc,Pour prédire l’odeur d’une substance, la clé est d’identifier la composition et la structure des molécules.

Dans ce processus, l’IA s’appuie sur une base de données volumineuse et soigneusement organisée. Cette base de données peut être considérée comme un « dictionnaire de traduction odeur-molécule » avancé avec une liste exhaustive des connexions entre les structures moléculaires connues et leurs odeurs correspondantes. L'association de chaque molécule avec l'odeur est méticuleusement enregistrée et archivée.

Un algorithme neuronal utilisé pour simuler l'odeur biologique est rapporté dans un article de la revue Nature Machine Intelligence.

Lorsqu'elle est confrontée à la tâche de prédire l'odeur d'une nouvelle molécule, l'IA recherchera rapidement dans ce « dictionnaire » professionnel pour trouver des molécules connues avec des structures similaires à celles de la nouvelle molécule et en déduire d'éventuelles attributs d'odeur. Ce processus est non seulement rapide, mais il est également extrêmement précis.

En plus de l’appariement structurel de base, l’IA prendra également en compte de manière exhaustive d’autres propriétés chimiques, telles que l’électronégativité et la stéréoconfiguration des molécules, afin de prédire de manière plus complète les caractéristiques olfactives des nouvelles molécules.

Le processus global s’apparente à une IA rassemblant et analysant divers indices pour en déduire l’odeur probable d’une nouvelle molécule.

En août 2023, un modèle de réseau neuronal graphique (GNN) pour l’analyse des odeurs par l’IA a été publié dans le magazine Science.


Le processus d'identification de l'odeur par l'IA, source de l'image : référence [4]

Une fois la structure moléculaire entrée dans le modèle, le GNN optimisera le poids des différentes structures chimiques dans des odeurs spécifiques, et enfin jugera l'odeur des molécules à travers la couche de prédiction et produira les descripteurs d'odeur correspondants.

Les chercheurs ont mené des tests olfactifs sur le modèle GNN et sur un groupe d’humains. Les résultats montrent,L’IA a surpassé les experts humains sur 53 % des molécules chimiques et 55 % des descriptions d’odeurs.

Humains contre IA : qui est l’expert en odeurs ?

On peut imaginer une équipe de professionnels « experts en odeurs ».

Contrairement à l’IA, qui s’appuie sur de grandes quantités de données et d’algorithmes, ces experts s’appuient principalement sur leur odorat et des années d’expérience accumulée pour analyser et décrire les odeurs. Ils ont la capacité de reconnaître les nuances d’une variété d’odeurs complexes et de les décrire avec un langage précis.

Par exemple, ils peuvent clairement distinguer différents types d’odeurs telles que les odeurs florales, fruitées, herbacées, cuirées, etc., et les expliquer en profondeur.

De plus, ces experts en odeurs sont capables d’analyser et d’interpréter les odeurs en fonction de leur origine et des facteurs environnementaux. Par exemple, ils peuvent identifier les odeurs produites par le processus de cuisson, les odeurs des plantes, les odeurs uniques des animaux, etc., et analyser systématiquement les causes et les effets de ces odeurs en fonction de leurs caractéristiques et de leurs changements.

Contrairement aux prédictions de l’IA basée sur les données,Les descriptions et les jugements de ces experts en parfums peuvent être affectés par des facteurs subjectifs.

Leurs conclusions peuvent varier d’une personne à l’autre et peuvent même être affectées par divers facteurs. Par conséquent, dans certains cas, leur description de l’odeur peut différer du jugement de l’IA.

Bien sûr, ce n’est qu’une imagination et ne signifie pas que les vrais experts en parfum ne sont pas des professionnels. Au stade actuel, la capacité olfactive de l'IA n'a pas encore atteint le niveau écrasant de l'humain, et l'humain possède des avantages irremplaçables en matière d'expérience subjective et de compréhension des odeurs.

Tout d’abord, face à un spectre d’odeurs complexe, l’IA doit s’appuyer sur des données massives et des algorithmes avancés d’apprentissage et de simulation afin de produire des jugements plus précis.

Cependant, le système olfactif humain peut faire preuve d’une plus grande flexibilité, ce qui est encore difficile à atteindre pour les systèmes d’IA actuels.


Corrélation des prédictions de différents modèles d'IA avec la moyenne du groupe humain. Source de l'image : référence [4]

L'odorat humain est également affecté par de nombreux autres facteurs, tels que l'humeur, la santé, l'expérience de vie, etc. Ces facteurs peuvent influencer notre perception et notre jugement des odeurs.

Ces variables ajoutent une couche de complexité à l’odorat humain qui manque à l’IA pour comprendre et simuler pleinement le système olfactif humain.

Conclusion

Bien que l’IA ait montré un potentiel impressionnant dans la technologie olfactive et ait réalisé des progrès significatifs dans certains domaines,Mais il n’a pas encore complètement dépassé l’humain.. Chacun présente des avantages et des limites différents. À mesure que la technologie continue de progresser, nous avons des raisons de nous attendre à ce que l’IA réalise davantage de percées dans le domaine de l’odorat.

Cependant, ce domaine est encore confronté à divers défis, tels que l’identification précise, la stabilité et la reproductibilité des molécules odorantes, qui nécessitent des recherches et des améliorations supplémentaires. aussi,L’acceptation et la confiance du public dans cette technologie émergente sont également des facteurs clés de son application réussie.

En résumé, la technologie olfactive de l’IA a de larges perspectives de développement et des possibilités illimitées, mais sa trajectoire de développement spécifique et ses résultats nécessitent encore du temps et de la pratique pour être vérifiés. Nous attendons avec impatience que les chercheurs scientifiques et les ingénieurs soient capables de résoudre ces défis et d'apporter plus de confort et de sécurité à la société.

Références

[1] Edmund Chong, Monica Moroni, Christopher Wilson et coll. La manipulation des odeurs optogénétiques synthétiques révèle la logique de codage de la perception olfactive Science 2020, 368, 6497.

[2]LuluGuo, JieCheng, ShuoLian, etal.Base structurelle de la perception des odeurs d'amine par un récepteur olfactif de mammifère.Nature2023,618,193.

[3] JiaDuan, PeiyuXu, Xiaodong Luan, etal. Activation médiée par les hormones et les anticorps du récepteur de thyrotropine. Nature 2022 609 854.

[4] BrianK.Lee, EmilyJ.Mayhew, BenjaminSanchez-Lengeling, etal.Aprincipalodormapunifiediversetasksinolfactoryperception.Science2023,381,999.