科學(xué)家用DNA造出人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )

　　來(lái)自加州理工學(xué)院生物工程系、計算機科學(xué)系、計算與神經(jīng)系統學(xué)系及電子工程系的研究人員首次在試管中用DNA構造出了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，這一人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )可以像大腦一樣根據不完整的信息回想起相關(guān)的記憶。這標志科研人員在通往人工智能的道路上邁出了重要的一步。這一研究成果公布在7月20日的《自然》雜志上。

　　這項研究由加州理工學(xué)院Erik Winfree教授、Jehoshua B ruck教授和上海交大Bio—X中心博士生錢(qián)璐璐(現在在加州理工學(xué)院)共同完成。錢(qián)璐璐博士2007年于上海交大Bio—X中心獲得博士學(xué)位，現在加利福尼亞理工學(xué)院從事博士后研究工作，主要研究領(lǐng)域是生物納米技術(shù)與DNA分子計算。不久前，錢(qián)璐璐博士與ErikWinfree教授共同利用人工合成的DNA分子，在試管中完成了迄今最復雜的生化電路。這種電路可以用來(lái)探索生物系統處理信息的原理。這一研究成果公布在6月的《科學(xué)》雜志上。

　　人類(lèi)的大腦具有不可思議的功能， 它讓人們辨別出事件間相互聯(lián)系的方式，形成記憶，做出決定，并采取行動(dòng)。盡管在過(guò)去的幾十年里，科研人員一直致力于構造出類(lèi)似于腦的人工智能生化系統，然而為之努力的道路上卻面臨著(zhù)重重困難。研究人員在新研究中提出了一個(gè)奇思妙想— — 用溶液中相互作用的分子來(lái)展示類(lèi)似于腦的功能。

　　據EurekAle rt的報道，科研人員構建的新型生化神經(jīng)網(wǎng)路是基于一種簡(jiǎn)單的神經(jīng)元的數學(xué)模型。這個(gè)模型被稱(chēng)為線(xiàn)性閾值函數。模型中的神經(jīng)元接收一組輸入信號，對每個(gè)信號乘以正的或者負的權重，只有當所有的帶權重的輸入信號之和大于某個(gè)特定的閾值時(shí)，神經(jīng)元才會(huì )興奮并釋放出一個(gè)輸出信號。

　　在這篇文章中，科研人員采用了一個(gè)被稱(chēng)為鏈置換級聯(lián)的過(guò)程來(lái)構造DNA神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )。這一方法用到單鏈和部分雙鏈的DNA分子。部分雙鏈是指，單鏈從雙螺旋結構的末端像尾巴一樣延伸出來(lái)。在水溶液中自由浮動(dòng)時(shí)，一個(gè)單鏈會(huì )碰上一個(gè)部分雙鏈，如果它們的堿基(DNA序列中的字母)是互配的，單鏈就會(huì )抓住雙鏈的尾巴，纏繞上去并把另一條單鏈從雙螺旋中踢走。由此，最初的單鏈充當了一個(gè)輸入信號，而被取代的單鏈充當了一個(gè)輸出信號，可以接著(zhù)與其他分子相作用。

　　研究人員利用1 12種不同的DNA鏈組成了四個(gè)相互聯(lián)系的人工神經(jīng)元，并通過(guò)一種猜心術(shù)游戲對所構造的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行了檢測。在這個(gè)游戲中，它試圖辨認一個(gè)身份未知的科學(xué)家�？蒲腥藛T“訓練” 這一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )來(lái)“認識” 四位科學(xué)家，他們的身份由四個(gè)是非問(wèn)題的答案來(lái)決定，例如這個(gè)科學(xué)家是不是英國人。

　　人類(lèi)玩家先在心里默想一個(gè)科學(xué)家，提供一組不完整的是非問(wèn)題的答案來(lái)暗示這個(gè)科學(xué)家的身份。對應于每一個(gè)“是” 或者“不是” 的答案，玩家將一個(gè)特定的DNA鏈加入到試管中，作為傳達給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的線(xiàn)索。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )會(huì )根據這些線(xiàn)索來(lái)猜測玩家心里所想的是哪個(gè)科學(xué)家，并將結果通過(guò)熒光信號告訴給玩家。在某些情況下，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )會(huì )“說(shuō)”，玩家提供的線(xiàn)索與它記憶中的多個(gè)科學(xué)家相符，或者這些線(xiàn)索與它所記得的信息相互矛盾�？蒲腥藛T和這個(gè)試管中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )玩了27次游戲，每次提供的線(xiàn)索都不相同(一共有81種組合的可能)，而它每次都猜對了。

　　因為科研人員可以設計任意想要的堿基序列來(lái)合成DNA鏈，他們可以對這些分子間的相互作用進(jìn)行編程，根據神經(jīng)元的模型設計出DNA神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )。通過(guò)調整網(wǎng)絡(luò )中逐個(gè)DNA分子的濃度，科研人員教給了它是非問(wèn)題的答案，而這些答案組合在一起的不同模式分別決定了四個(gè)不同的科學(xué)家。

　　科研人員表示，這種具有人工智能的生化系統，或者至少是具有某些基本的決策能力的生化系統，可以在醫藥、化學(xué)以及生物領(lǐng)域帶來(lái)不可估量的應用。在將來(lái)，這樣的系統也許可以在細胞內工作，幫助回答根本的生物問(wèn)題或者診斷疾病。如果一個(gè)生化過(guò)程能夠對其他分子的存在做出智能響應，它將會(huì )允許工程師們一步一個(gè)分子的制造出日益復雜的化學(xué)物質(zhì)，或者搭建出新的分子結構。并且在科技應用之外，對這些系統的設計也可以帶給思維的進(jìn)化過(guò)程以間接的認識。

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