美用DNA制造出人造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

 據(jù)美國每日科學(xué)網(wǎng)站7月20日報道，美國科學(xué)家朝人工智能領(lǐng)域邁出了關(guān)鍵的一步：他們使用DNA，在試管中制造出了人造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這個相互作用的分子組成的電路能像人腦一樣，基于不完整的模式進(jìn)行回憶?？茖W(xué)家表示，這樣的系統(tǒng)將有助于人們回答基本的生物學(xué)問題或診斷疾??；然而，其運(yùn)行效率目前還很低下，需要進(jìn)一步提高其性能。

DNA制成人造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包含4個人造神經(jīng)元，由112個不同的DNA片段組成。

加州理工大學(xué)的科學(xué)家在一個名為線性閾函數(shù)的簡單的神經(jīng)模型上建立了該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這個神經(jīng)元模型接收輸入信號，并通過一個正權(quán)數(shù)或負(fù)權(quán)數(shù)來增強(qiáng)每個信號，如果輸入信號的加權(quán)總和超過某個閾值，神經(jīng)元會放電，產(chǎn)生一個輸出信號。該研究的聯(lián)合作者、加州理工學(xué)院計算機(jī)科學(xué)和神經(jīng)系統(tǒng)副教授埃瑞克·溫弗利表示，這個模型是對真實(shí)神經(jīng)元的過度簡化，但其在探索一些簡單的計算元素的集體行為如何導(dǎo)致聯(lián)想回憶和模式完成等類似大腦的行為方面，確實(shí)非常有效。

為了建成這個DNA神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該團(tuán)隊的科學(xué)家們使用了一個自行研發(fā)的、名為鏈置換級聯(lián)的過程，此前，該團(tuán)隊也使用鏈置換級聯(lián)過程制造出了迄今大復(fù)雜、能計算平方根的DNA電路。

這個過程使用了單鏈和雙鏈DNA分子的一部分。雙鏈DNA是雙螺旋結(jié)構(gòu)，其中的一個鏈像尾巴一樣伸出，當(dāng)單鏈漂浮在水溶液表面時，可能會偶然遇見雙鏈DNA的一部分，如果兩者的堿基對完全互補(bǔ)，單鏈就會抓住雙鏈的尾巴并依附于其上，踢開雙螺旋的另一個單鏈。因此，這個單鏈就像輸入；而被踢開的雙鏈的一部分就像輸出，它接著可以同其他分子相互作用。因?yàn)榭茖W(xué)家能使用任何堿基序列來合成DNA片段，因此，他們可以對這些相互作用編程讓其像神經(jīng)元模型一樣工作。

可像人腦一樣基于部分特征識別事物

隨后，科學(xué)家們同該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了一個“測心術(shù)”游戲：讓該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基于一定的線索確定4名科學(xué)家中的一位?？茖W(xué)家們首先“訓(xùn)練”神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)“認(rèn)識”4名科學(xué)家，每名科學(xué)家的個性特征由4個是非題來表現(xiàn)，例如，該科學(xué)家是否為英國人等等。通過使用計算機(jī)模擬讓該網(wǎng)絡(luò)中的每個DNA單鏈的濃度協(xié)調(diào)一致，科學(xué)家們能教導(dǎo)單鏈記住與每個科學(xué)家有關(guān)的是非題的答案模式。

當(dāng)一個玩家想到某個科學(xué)家，就會向該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出一些能部分展示該科學(xué)家特征的問題，接著通過將對這些問題作出反應(yīng)的DNA片段卸下放入試管中，從而將相關(guān)線索傳遞給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。通過熒光信號進(jìn)行連接，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能確切“說”出玩家想的是哪位科學(xué)家。

科學(xué)家們使用了27種（總共有81種）不同的回答問題的方式同該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了這項游戲，網(wǎng)絡(luò)每次都作出了正確的反應(yīng)。該研究的聯(lián)合作者、加州理工大學(xué)計算和神經(jīng)系統(tǒng)以及電子工程學(xué)教授喬舒亞·布瑞克表示，這表明，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能基于部分特征識別事物，這是大腦獨(dú)特的屬性之一。

領(lǐng)導(dǎo)此項研究的加州理工學(xué)院生物工程專業(yè)博士后錢璐璐（音譯）在發(fā)表于7月21日出版的《自然》雜志上的論文中寫道：“這個人造‘大腦’可不簡單，它使得我們識別事物、形成記憶、做出決定并采取行動，這表明，一個由相互作用的分子組成的人造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也能展示與大腦一樣的行為。”

在醫(yī)學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域意義重大

科學(xué)家們表示，具有人工智能或者擁有某些基本決策能力的生物化學(xué)系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)研究領(lǐng)域都具有非常重要的價值，未來，這樣的系統(tǒng)能在細(xì)胞內(nèi)操作，幫助回答基本的生物學(xué)問題或診斷疾病。另外，能對其他分子的出現(xiàn)作出智能反應(yīng)的生物化學(xué)過程使工程師能用分子制造出越來越復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)或者建立新的結(jié)構(gòu)。錢璐璐說：“盡管幾十年來，科學(xué)家們一直假設(shè)，人造生物化學(xué)系統(tǒng)能表現(xiàn)出像大腦一樣的行為，但一直沒有實(shí)現(xiàn)。”

這樣的系統(tǒng)也讓科學(xué)家可以間接理解智能的進(jìn)化。錢璐璐解釋道：“大腦進(jìn)化前，單細(xì)胞有機(jī)體也能處理信息、做決定并對周圍環(huán)境作出反應(yīng)。”這樣的復(fù)雜行為必須由一個漂浮在細(xì)胞內(nèi)的分子網(wǎng)絡(luò)完成，“或許高度進(jìn)化的大腦和單細(xì)胞內(nèi)看到的有限的智能形式分享同樣的計算模式，只是采用不同的基質(zhì)來編程。”

布瑞克補(bǔ)充道，他們的實(shí)驗(yàn)可以看成神經(jīng)—計算原理在分子和細(xì)胞層面上的簡單展示，一個可能的解釋是，或許這樣的原理在生物信息處理領(lǐng)域隨處可見。

需進(jìn)一步改善其性能

不過，科學(xué)家們也表示，盡管這個實(shí)驗(yàn)表明科學(xué)家能用DNA制造出會閱讀思考的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，但是，這個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還非常有限。人腦包含1000億個神經(jīng)元，但僅使用40個（實(shí)驗(yàn)中使用的神經(jīng)元的10倍）由DNA制造出的神經(jīng)元來編織出一個網(wǎng)絡(luò)都是一個大的挑戰(zhàn)。而且，該系統(tǒng)的工作效率很低，其找出每個科學(xué)家需要花費(fèi)8小時。另外，任務(wù)完成后，分子也被耗盡，無法分開并同另外的DNA單鏈配對，因此，該游戲只能進(jìn)行一次。

或許在未來，一個生物化學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能通過多次重復(fù)游戲來改進(jìn)其性能；或通過遭遇新環(huán)境來學(xué)會新記憶。制造出能在身體內(nèi)或僅僅在細(xì)胞內(nèi)或一個有蓋培養(yǎng)皿內(nèi)操作的生物化學(xué)網(wǎng)絡(luò)還需要很長時間，因?yàn)槭沟眠@種技術(shù)能在試管內(nèi)工作也是另一個需要很大精力來應(yīng)對的挑戰(zhàn)。