科學家用DNA造出人工神經網絡

科學家用DNA造出人工神經網絡

　　來自加州理工學院生物工程系、計算機科學系、計算與神經系統學系及電子工程系的研究人員首次在試管中用DNA構造出了人工神經網絡，這一人工神經網絡可以像大腦一樣根據不完整的信息回想起相關的記憶。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院Erik Winfree教授、Jehoshua B ruck教授和上海交大Bio—X中心博士生錢璐璐(現在在加州理工學院)共同完成。錢璐璐博士2007年于上海交大Bio—X中心獲得博士學位，現在加利福尼亞理工學院從事博士后研究工作，主要研究領域是生物納米技術與DNA分子計算。不久前，錢璐璐博士與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》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造出類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EurekAle rt的報道，科研人員構建的新型生化神經網路是基于一種簡單的神經元的數學模型。這個模型被稱為線性閾值函數。模型中的神經元接收一組輸入信號，對每個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特定的閾值時，神經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的過程來構造DNA神經網絡。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。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，最初的單鏈充當了一個輸入信號，而被取代的單鏈充當了一個輸出信號，可以接著與其他分子相作用。

　　研究人員利用1 12種不同的DNA鏈組成了四個相互聯系的人工神經元，并通過一種猜心術游戲對所構造的神經網絡進行了檢測。在這個游戲中，它試圖辨認一個身份未知的科學家。科研人員“訓練” 這一神經網絡來“認識” 四位科學家，他們的身份由四個是非問題的答案來決定，例如這個科學家是不是英國人。

　　人類玩家先在心里默想一個科學家，提供一組不完整的是非問題的答案來暗示這個科學家的身份。對應于每一個“是” 或者“不是” 的答案，玩家將一個特定的DNA鏈加入到試管中，作為傳達給神經網絡的線索。而神經網絡會根據這些線索來猜測玩家心里所想的是哪個科學家，并將結果通過熒光信號告訴給玩家。在某些情況下，神經網絡會“說”，玩家提供的線索與它記憶中的多個科學家相符，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網絡玩了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，根據神經元的模型設計出DNA神經網絡。通過調整網絡中逐個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、化學以及生物領域帶來不可估量的應用。在將來，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題或者診斷疾病。如果一個生化過程能夠對其他分子的存在做出智能響應，它將會允許工程師們一步一個分子的制造出日益復雜的化學物質，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化過程以間接的認識。

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