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“最強大腦”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，這樣強大的能力來源于大腦中上百萬神經(jīng)元之間的復雜鏈接，這種精密而快速的連接所構成的神經(jīng)網(wǎng)絡堪稱世界上最為強大的生物計算機。

有觀點認為，在基于神經(jīng)元的大腦進化之前，相互作用的分子反應網(wǎng)絡為單細胞生命（例如細菌）提供了“智能”化行為以適應環(huán)境實現(xiàn)生存。在現(xiàn)實世界中，生物工程領域存在一個相關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網(wǎng)絡來支持有限形式的智能行為，類似于神經(jīng)大腦進化之前必然發(fā)生的情景。

早在1994年，圖靈獎獲得者Leonard Adleman利用DNA分子為計算載體用于計算哈密頓路徑問題，開創(chuàng)了DNA計算機領域。

DNA計算機是一種生物形式的計算機，由一系列生物分子以溶液形態(tài)組合而成，通過生化反應來進行高度并行性計算，實現(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)硅基計算機僅能處理符號信息，DNA計算機能夠使科學測量（感知信息）與化學反應同步，對生命活動中的分子特征信息進行直接檢測與感知。普通的醫(yī)學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，就有可能同時對數(shù)百種生物分子進行診斷測試，并直接在化學和生物環(huán)境中實現(xiàn)分析和診斷。

基于DNA分子鏈置換反應機制，研究人員實現(xiàn)了包括布爾邏輯計算、模擬計算及神經(jīng)網(wǎng)絡計算等多種運算功能的DNA計算機的構建。然而，如何擴展分子反應系統(tǒng)的規(guī)模及其復雜性，構建具有更強大計算能力的人工分子反應網(wǎng)絡，仍具有極大的挑戰(zhàn)性。

▲華東師范大學化學與分子工程學院裴昊團隊及朱通副教授

試管分子人工智能實現(xiàn)中國甲骨文字識別

電子計算機的主要元器件（從電子管到超大規(guī)模集成電路）的每一次更新?lián)Q代使計算機的各方面性能得到了極大提高和增強。沿革如此，裴昊教授團隊一直致力于核酸分子器件的設計和開發(fā)，提出了一種新的基于變構調控的DNA鏈置換反應機制（ACS Nano, 2018, 12, 7093），實現(xiàn)了核酸分子電路的熱力學及動力學精細調控和非線性功能設計，并實現(xiàn)了體內和體外多種疾病相關重要靶標分子的高靈敏、高選擇性的智能生物檢測。

▲DNA卷積神經(jīng)網(wǎng)絡用于中國甲骨文字識別

基于在核酸化學方面的研究基礎，面向分析化學、計算機科學與分子生物學的交叉融合發(fā)展，課題組針對發(fā)展超大規(guī)模DNA分子反應網(wǎng)絡關鍵科學難題，和長期從事人工智能與分子科學研究的朱通課題組合作，建立了一種DNA卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的系統(tǒng)實現(xiàn)策略，以分子開關門架構為基礎電路組件，基于權重調節(jié)區(qū)域與識別區(qū)域功能的模塊化，實現(xiàn)了信號傳輸功能與權重賦予功能的獨立調控以實現(xiàn)權重共享。實驗結果表明：該策略可以成功實現(xiàn)了多種數(shù)學運算。

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

為了驗證DNA的神經(jīng)網(wǎng)絡的能力，課題組選擇了電子人工神經(jīng)網(wǎng)絡的一個經(jīng)典挑戰(zhàn)——識別字跡作為任務。通過DNA分子構建的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡進行規(guī)定的化學反應，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?！胺肿幼舟E”的準確識別，充分說明了所構建的DNA神經(jīng)網(wǎng)絡具有強大的分子圖譜信息處理能力，有望進一步在智能生物傳感及載藥等領域得以應用。

熊謝微博士和朱通副教授為論文的共同第一作者，朱通老師課題組負責卷積計算模型設計及優(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