DNA制成人造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
 

    美國科學家朝人工智能領(lǐng)域邁出了關(guān)鍵的一步：他們使用DNA，在試管中制造出了首個人造神經(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行回憶?？茖W家表示，這樣的系統(tǒng)將有助于人們回答基本的生物學問題或診斷疾病；然而，其運行效率目前還很低下，需要進一步提高其性能。

    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。加州理工大學的科學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)或負權(quán)數(shù)來增強每個信號，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、加州理工學院計算機科學和神經(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致聯(lián)想回憶和模式完成等類似大腦的行為方面，確實非常有效。

    為了建成這個DNA神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該團隊的科學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，該團隊也使用鏈置換級聯(lián)過程制造出了迄今最大最復雜、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，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。因為科學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，科學家們同該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行了一個“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名科學家中的一位?？茖W家們首先“訓練”神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)“認識”4名科學家，每名科學家的個性特征由4個是非題來表現(xiàn)，例如，該科學家是否為英國人等等。通過使用計算機模擬讓該網(wǎng)絡(luò)中的每個DNA單鏈的濃度協(xié)調(diào)一致，科學家們能教導單鏈記住與每個科學家有關(guān)的是非題的答案模式。

    當一個玩家想到某個科學家，就會向該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出一些能部分展示該科學家特征的問題，接著通過將對這些問題作出反應的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家。

    科學家們使用了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)進行了這項游戲，網(wǎng)絡(luò)每次都作出了正確的反應。該研究的聯(lián)合作者、加州理工大學計算和神經(jīng)系統(tǒng)以及電子工程學教授喬舒亞·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，這是大腦獨特的屬性之一。

    領(lǐng)導此項研究的加州理工學院生物工程專業(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)學和化學領(lǐng)域意義重大

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

    這樣的系統(tǒng)也讓科學家可以間接理解智能的進化。錢璐璐解釋道：“大腦進化前，單細胞有機體也能處理信息、做決定并對周圍環(huán)境作出反應。”這樣的復雜行為必須由一個漂浮在細胞內(nèi)的分子網(wǎng)絡(luò)完成，“或許高度進化的大腦和單細胞內(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。”

    布瑞克補充道，他們的實驗可以看成神經(jīng)—計算原理在分子和細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。

    需進一步改善其性能

    不過，科學家們也表示，盡管這個實驗表明科學家能用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（實驗中使用的神經(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，其找出每個科學家需要花費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，該游戲只能進行一次。

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