科學(xué)家用DNA造出人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

日期：2011-07-26 08:04:39

來自加州理工學(xué)院生物工程系、計算機科學(xué)系、計算與神經(jīng)系統(tǒng)學(xué)系及電子工程系的研究人員首次在試管中用DNA構(gòu)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(jù)不完整的信息回想起相關(guān)的記憶。這標(biāo)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 Bruck教授和上海交大Bio-X中心博士生錢璐璐（現(xiàn)在在加州理工學(xué)院）共同完成。錢璐璐博士2007年于上海交大Bio-X中心獲得博士學(xué)位，現(xiàn)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，錢璐璐博士與Erik Winfree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(fù)雜的生化電路。這種電路可以用來探索生物系統(tǒng)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。盡管在過去的幾十年里，科研人員一直致力于構(gòu)造出類似于腦的人工智能生化系統(tǒng)，然而為之努力的道路上卻面臨著重重困難。研究人員在新研究中提出了一個奇思妙想——用溶液中相互作用的分子來展示類似于腦的功能。

據(jù)EurekAlert的報道，科研人員構(gòu)建的新型生化神經(jīng)網(wǎng)路是基于一種簡單的神經(jīng)元的數(shù)學(xué)模型。這個模型被稱為線性閾值函數(shù)。模型中的神經(jīng)元接收一組輸入信號，對每個信號乘以正的或者負(fù)的權(quán)重，只有當(dāng)所有的帶權(quán)重的輸入信號之和大于某個特定的閾值時，神經(jīng)元才會興奮并釋放出一個輸出信號。

在這篇文章中，科研人員采用了一個被稱為鏈置換級聯(lián)的過程來構(gòu)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?zhǔn)侵福瑔捂湉碾p螺旋結(jié)構(gòu)的末端像尾巴一樣延伸出來。在水溶液中自由浮動時，一個單鏈會碰上一個部分雙鏈，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(dāng)了一個輸入信號，而被取代的單鏈充當(dāng)了一個輸出信號，可以接著與其他分子相作用。

研究人員利用112種不同的DNA鏈組成了四個相互聯(lián)系的人工神經(jīng)元，并通過一種猜心術(shù)游戲?qū)λ鶚?gòu)造的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行了檢測。在這個游戲中，它試圖辨認(rèn)一個身份未知的科學(xué)家。科研人員“訓(xùn)練”這一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來“認(rèn)識”四位科學(xué)家，他們的身份由四個是非問題的答案來決定，例如這個科學(xué)家是不是英國人。

人類玩家先在心里默想一個科學(xué)家，提供一組不完整的是非問題的答案來暗示這個科學(xué)家的身份。對應(yīng)于每一個“是”或者“不是”的答案，玩家將一個特定的DNA鏈加入到試管中，作為傳達給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的線索。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會根據(jù)這些線索來猜測玩家心里所想的是哪個科學(xué)家，并將結(jié)果通過熒光信號告訴給玩家。在某些情況下，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會“說”，玩家提供的線索與它記憶中的多個科學(xué)家相符，或者這些線索與它所記得的信息相互矛盾。科研人員和這個試管中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)玩了27次游戲，每次提供的線索都不相同（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(shè)計任意想要的堿基序列來合成DNA鏈，他們可以對這些分子間的相互作用進行編程，根據(jù)神經(jīng)元的模型設(shè)計出DNA神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中逐個DNA分子的濃度，科研人員教給了它是非問題的答案，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(tǒng)，或者至少是具有某些基本的決策能力的生化系統(tǒng)，可以在醫(yī)藥，化學(xué)以及生物領(lǐng)域帶來不可估量的應(yīng)用。在將來，這樣的系統(tǒng)也許可以在細(xì)胞內(nèi)工作，幫助回答根本的生物問題或者診斷疾病。如果一個生化過程能夠?qū)ζ渌肿拥拇嬖谧龀鲋悄茼憫?yīng)，它將會允許工程師們一步一個分子的制造出日益復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)，或者搭建出新的分子結(jié)構(gòu)。并且在科技應(yīng)用之外，對這些系統(tǒng)的設(shè)計也可以帶給思維的進化過程以間接的認(rèn)識。