“既然要學(xué)人腦的思維方式，為什么不去研究人腦？”霍金斯在《論智能》中說道。

如今，不少生物學(xué)研究者正朝著這個(gè)方向努力。

不過，請(qǐng)注意：這不是一次傳統(tǒng)意義上的生物實(shí)驗(yàn)。

近日，據(jù) Motherboard 等多家外媒報(bào)道，來自加州理工學(xué)院生物工程助理教授 Lu-lu Qian（錢璐璐）和她的學(xué)生 Kevin Cherry 共同開發(fā)出了一種由 DNA 制成的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以正確識(shí)別分子數(shù)字。這項(xiàng)工作是人工智能與合成生物分子電路成功“合體”的重要里程碑。

“盡管科學(xué)家剛剛開始探索在分子機(jī)器搭載人工智能，但其潛力已無可否認(rèn)，”錢璐璐說。“類似電子計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)為人類帶來了遠(yuǎn)超過去百年的影響力，人造分子機(jī)器可以讓所有由分子組成的物體，甚至可能包括油漆和繃帶，比未來一百年更有用，有益于環(huán)境保護(hù)。”

據(jù)了解，該論文已于 7 月 19 日發(fā)表在《Nature》紙質(zhì)版雜志上。

以下為論文摘要：

從細(xì)菌沿化學(xué)梯度運(yùn)動(dòng)，到大腦對(duì)復(fù)雜氣味信息進(jìn)行區(qū)分，識(shí)別分子模式是生物有機(jī)體的重要技能。這種類型的信息處理方式已經(jīng)能由基于 DNA 制成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成，不過，這僅限于 4 種 4 位的不同 DNA 分子。“贏者通吃”（winner takes all）的競(jìng)爭(zhēng)策略被認(rèn)為有望提高 DNA 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的能力。與之前使用的線性閾值和 Hopfield 網(wǎng)絡(luò)相比，“贏者通吃”的計(jì)算能力更強(qiáng)，可由單一分子完成，且不受模型數(shù)量和復(fù)雜性的影響。所以，無論是大量的單一模型，還是少量的復(fù)雜模型都能被識(shí)別。

據(jù)介紹，

Lu-lu Qain 和 Kevin Cherry 將這一數(shù)字增加到 9 種 100 位的圖案，研究小組設(shè)計(jì)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能正確識(shí)別 10×10 像素網(wǎng)格內(nèi)的 1到9 的數(shù)字。該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用“贏家通吃”來優(yōu)化輸出，識(shí)別數(shù)字。研究人員通過模擬手寫字體的變化，倒轉(zhuǎn)了 100 位中的 30 位，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仍能準(zhǔn)確“記住”圖案并識(shí)別出數(shù)字。這一結(jié)果表明，分子計(jì)算電路擁有類似記憶力的能力，能夠?qū)Ω叨葟?fù)雜、雜亂的信息進(jìn)行分類。

▌以DNA和試管為“硬件”

這里不得不提一下神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之父 Geoffrey Hinton 老爺子的貢獻(xiàn)。在他看來，通過模仿人類大腦，對(duì)其大腦中神經(jīng)元如何運(yùn)作進(jìn)行了理想化實(shí)現(xiàn)，并將 HintonBack Propagation（反向傳播）算法應(yīng)用到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。目前，機(jī)器學(xué)習(xí)中的大多數(shù)前沿技術(shù)都涉及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

而錢璐璐實(shí)驗(yàn)室的工作目的就是讓 DNA 構(gòu)建的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來模仿和挑戰(zhàn)大腦神經(jīng)元的能力。

簡(jiǎn)單來講，所謂的 DNA 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是將 DNA 和試管作為構(gòu)建的物理基礎(chǔ)，就相當(dāng)于我們通常所見的硅和晶體管。

眾所周知，所有 DNA 都由四種堿性核苷酸組成：腺嘌呤（A）、胞嘧啶（C）、鳥嘌呤（G）和胸腺嘧啶（T）。一條核苷酸鏈與另一條鏈結(jié)合形成 DNA 雙鏈，但只能以特定方式結(jié)合（即 A-T 或 C-G）。這種可預(yù)測(cè)的組合模式使得這些核苷酸成為理想的計(jì)算設(shè)備，經(jīng)過設(shè)計(jì)后，它們?cè)诟鞣N分子形態(tài)下產(chǎn)生特定的化學(xué)反應(yīng)。

這時(shí)，通過特定化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的現(xiàn)象，研究人員就可以判斷出該 DNA 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是否正確進(jìn)行了識(shí)別。這次，錢璐璐實(shí)驗(yàn)室挑戰(zhàn)的是如何教人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別手寫數(shù)字。

通常情況下，這對(duì)計(jì)算機(jī)來說很難。例如，人類在寫數(shù)字 4 時(shí)都會(huì)略有不同。一般人都很容易看出不同的 4 寫出來的時(shí)候會(huì)有哪些相似點(diǎn)，機(jī)器則沒有這種生物識(shí)別性。不過，要是向人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供大量 4 的書寫示例呢？算法會(huì)“學(xué)習(xí)”并對(duì)每個(gè)示例進(jìn)行抽象，然后形成對(duì) 4 這個(gè)數(shù)字寫法的大致概念。下一次，算法在遇到類似 4 的事物時(shí)，它會(huì)將其自己形成對(duì) 4 的概念進(jìn)行比較，如何匹配度足夠高，就會(huì)得出 4 的結(jié)論。

據(jù)了解，早在 2011 年，錢璐璐就用 DNA 創(chuàng)造了第一個(gè)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，但它只能識(shí)別出少數(shù)模式。而此次，錢璐璐的一位研究生 Kevin Cherry 通過將其應(yīng)用于手寫“分子數(shù)字”的識(shí)別，大大提高了這項(xiàng)技術(shù)。

用合成 DNA 構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能夠識(shí)別分子編碼的“數(shù)字”。這是經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)測(cè)試的又一次創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。“人腦中大多有超過 800 億個(gè)神經(jīng)元，能夠讓人類做出非常復(fù)雜的決定。像蛔蟲這樣的小動(dòng)物有幾百個(gè)神經(jīng)元，只能做出簡(jiǎn)單的決定。在這項(xiàng)工作中，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套生物化學(xué)模式，其作用類似于一個(gè)小的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，對(duì)分子信息進(jìn)行分類，實(shí)質(zhì)上比之前更復(fù)雜。”錢璐璐說。

未來，錢璐璐實(shí)驗(yàn)室希望通過這種形成的記憶將有助于 DNA 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行不同任務(wù)，并改變醫(yī)學(xué)測(cè)試。

▌實(shí)驗(yàn)過程

首先，每個(gè)“分子數(shù)字”是由 20 個(gè) DNA 鏈構(gòu)成，這些 DNA 鏈選自 100 個(gè)分子，每個(gè)分子代表 10×10 像素網(wǎng)格中任一位置。

然后，在試管中將這些 DNA 鏈混合在一起。試管中的 DNA 鏈由于全部混合在一起，因此分子在網(wǎng)格上呈現(xiàn)的位置完全靠濃度決定。當(dāng)分子濃度達(dá)到一定階段時(shí)，DNA 鏈就會(huì)產(chǎn)生特定的反應(yīng)，并在 10×10 網(wǎng)格上形成相應(yīng)的數(shù)字，這一過程即為 DNA 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別過程。

按照手寫數(shù)字從 1 到 9 的樣本，DNA 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也分類為 9 個(gè)類別。

以數(shù)字 6 和 7 的識(shí)別過程為例。

他們測(cè)試了 36 個(gè)不同版本的手寫數(shù)字，DNA 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正確識(shí)別出來這些數(shù)字。

這一過程中，他們利用了 DNA 分子編碼“贏者通吃”的競(jìng)爭(zhēng)策略——DNA 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過合成所謂的“殲滅者”來區(qū)分?jǐn)?shù)字。

“殲滅者與來自一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)者的一個(gè)分子和來自不同競(jìng)爭(zhēng)者的一個(gè)分子形成復(fù)合物，并反應(yīng)形成惰性物質(zhì)，無法產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。殲滅者迅速吞噬所有競(jìng)爭(zhēng)者的分子，直到剩下一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)者。然后，獲勝的競(jìng)爭(zhēng)者恢復(fù)到高濃度并產(chǎn)生熒光信號(hào)，表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的決策。”Cherry 表示。

重要的是，獲勝者采取的方法將用于區(qū)分 DNA 試管中 1 到 9 的單個(gè)數(shù)字。例如，反應(yīng)后，試管將顯示兩個(gè)熒光信號(hào)，綠色和黃色熒光代表 5，綠色或紅色代表 9。

▌錢璐璐本人

早在去年，錢璐璐實(shí)驗(yàn)室就曾利用DNA打造了一個(gè)“小機(jī)器人”：對(duì) DNA 進(jìn)行“編程”，控制 DNA“走”到特定區(qū)域，“撿起”特定的分子，并把它們搬運(yùn)到另一個(gè)地方。

據(jù)了解，錢璐璐本科研究生期間，先后在東南大學(xué)、上海交通大學(xué)就讀，隨后考入加州理工學(xué)院，從此開始了她長(zhǎng)達(dá) 10 年的學(xué)習(xí)與研究生涯。