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“最強(qiáng)大腦”如何成就液態(tài)DNA電腦

人腦作為最高智能化的生命器官具備不可思議的信息處理能力，這樣強(qiáng)大的能力來源于大腦中上百萬神經(jīng)元之間的復(fù)雜鏈接，這種精密而快速的連接所構(gòu)成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)堪稱世界上最為強(qiáng)大的生物計(jì)算機(jī)。

有觀點(diǎn)認(rèn)為，在基于神經(jīng)元的大腦進(jìn)化之前，相互作用的分子反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)為單細(xì)胞生命（例如細(xì)菌）提供了“智能”化行為以適應(yīng)環(huán)境實(shí)現(xiàn)生存。在現(xiàn)實(shí)世界中，生物工程領(lǐng)域存在一個(gè)相關(guān)的并且引人注目的挑戰(zhàn)：證明如何利用人工合成生物分子反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)來支持有限形式的智能行為，類似于神經(jīng)大腦進(jìn)化之前必然發(fā)生的情景。

早在1994年，圖靈獎(jiǎng)獲得者Leonard Adleman利用DNA分子為計(jì)算載體用于計(jì)算哈密頓路徑問題，開創(chuàng)了DNA計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。

DNA計(jì)算機(jī)是一種生物形式的計(jì)算機(jī)，由一系列生物分子以溶液形態(tài)組合而成，通過生化反應(yīng)來進(jìn)行高度并行性計(jì)算，實(shí)現(xiàn)分子信息快速處理，也有人稱之為“液態(tài)電腦”。

相較于傳統(tǒng)硅基計(jì)算機(jī)僅能處理符號信息，DNA計(jì)算機(jī)能夠使科學(xué)測量（感知信息）與化學(xué)反應(yīng)同步，對生命活動(dòng)中的分子特征信息進(jìn)行直接檢測與感知。普通的醫(yī)學(xué)檢測僅能測量出少量生物分子，如果使用大規(guī)模生物分子電路，就有可能同時(shí)對數(shù)百種生物分子進(jìn)行診斷測試，并直接在化學(xué)和生物環(huán)境中實(shí)現(xiàn)分析和診斷。

基于DNA分子鏈置換反應(yīng)機(jī)制，研究人員實(shí)現(xiàn)了包括布爾邏輯計(jì)算、模擬計(jì)算及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算等多種運(yùn)算功能的DNA計(jì)算機(jī)的構(gòu)建。然而，如何擴(kuò)展分子反應(yīng)系統(tǒng)的規(guī)模及其復(fù)雜性，構(gòu)建具有更強(qiáng)大計(jì)算能力的人工分子反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，仍具有極大的挑戰(zhàn)性。

▲華東師范大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院裴昊團(tuán)隊(duì)及朱通副教授

試管分子人工智能實(shí)現(xiàn)中國甲骨文字識別

電子計(jì)算機(jī)的主要元器件（從電子管到超大規(guī)模集成電路）的每一次更新?lián)Q代使計(jì)算機(jī)的各方面性能得到了極大提高和增強(qiáng)。沿革如此，裴昊教授團(tuán)隊(duì)一直致力于核酸分子器件的設(shè)計(jì)和開發(fā)，提出了一種新的基于變構(gòu)調(diào)控的DNA鏈置換反應(yīng)機(jī)制（ACS Nano, 2018, 12, 7093），實(shí)現(xiàn)了核酸分子電路的熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)精細(xì)調(diào)控和非線性功能設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了體內(nèi)和體外多種疾病相關(guān)重要靶標(biāo)分子的高靈敏、高選擇性的智能生物檢測。

▲DNA卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于中國甲骨文字識別

基于在核酸化學(xué)方面的研究基礎(chǔ)，面向分析化學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與分子生物學(xué)的交叉融合發(fā)展，課題組針對發(fā)展超大規(guī)模DNA分子反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵科學(xué)難題，和長期從事人工智能與分子科學(xué)研究的朱通課題組合作，建立了一種DNA卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)策略，以分子開關(guān)門架構(gòu)為基礎(chǔ)電路組件，基于權(quán)重調(diào)節(jié)區(qū)域與識別區(qū)域功能的模塊化，實(shí)現(xiàn)了信號傳輸功能與權(quán)重賦予功能的獨(dú)立調(diào)控以實(shí)現(xiàn)權(quán)重共享。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該策略可以成功實(shí)現(xiàn)了多種數(shù)學(xué)運(yùn)算。

基于多種模塊化分子運(yùn)算單元的級聯(lián)組合，課題組構(gòu)建了一種大規(guī)模DNA神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包含512個(gè)分子物種，涉及數(shù)千種化學(xué)反應(yīng)，可產(chǎn)生數(shù)百種分子產(chǎn)物，能實(shí)現(xiàn)對32類144-bits分子模式圖譜識別分類。

為了驗(yàn)證DNA的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的能力，課題組選擇了電子人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)經(jīng)典挑戰(zhàn)——識別字跡作為任務(wù)。通過DNA分子構(gòu)建的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)定的化學(xué)反應(yīng)，可完成4種語言及32種手寫文字的分類，包括對中國甲骨文字（火、土、木、水、天、氣、人、生）的分類識別。“分子字跡”的準(zhǔn)確識別，充分說明了所構(gòu)建的DNA神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的分子圖譜信息處理能力，有望進(jìn)一步在智能生物傳感及載藥等領(lǐng)域得以應(yīng)用。

熊謝微博士和朱通副教授為論文的共同第一作者，朱通老師課題組負(fù)責(zé)卷積計(jì)算模型設(shè)計(jì)及優(yōu)化，裴昊教授為通訊聯(lián)系人。

參考資料：https://mp.weixin.qq.com/s/SMF3KwbRU_oDS356XVAS1g