加州理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)了一種由DNA制成的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以解決經(jīng)典的機(jī)器學(xué)習(xí)問(wèn)題：正確識(shí)別手寫(xiě)數(shù)字。這項(xiàng)工作是證明將人工智能編入合成生物分子電路的能力的重要一步。

“盡管科學(xué)家們剛剛開(kāi)始探索在分子機(jī)器中創(chuàng)造人工智能，但其潛力已經(jīng)不可否認(rèn)，”錢(qián)說(shuō)。“類(lèi)似于電子計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)如何使人類(lèi)比一百年前更有能力，人造分子機(jī)器可以制造所有由分子組成的物體，可能包括油漆和繃帶，在百年中更有能力和更環(huán)保的環(huán)境來(lái)吧。“

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是受人類(lèi)大腦啟發(fā)的數(shù)學(xué)模型。盡管與其生物學(xué)對(duì)應(yīng)物相比被簡(jiǎn)化得多，但人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能類(lèi)似于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)并且能夠處理復(fù)雜信息。錢(qián)實(shí)驗(yàn)室這項(xiàng)工作的最終目標(biāo)是利用DNA制作的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)智能行為(計(jì)算，做出選擇等的能力)進(jìn)行編程。

“人類(lèi)每個(gè)人的大腦中都有超過(guò)800億個(gè)神經(jīng)元，他們做出了非常復(fù)雜的決定。較小的動(dòng)物如蛔蟲(chóng)可以使用幾百個(gè)神經(jīng)元做出更簡(jiǎn)單的決定。在這項(xiàng)工作中，我們?cè)O(shè)計(jì)并創(chuàng)造了像一個(gè)小的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)對(duì)分子信息進(jìn)行分類(lèi)比以前更加復(fù)雜，“錢(qián)說(shuō)。

為了說(shuō)明基于DNA的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的能力，錢(qián)實(shí)驗(yàn)室研究生Kevin Cherry選擇了一項(xiàng)任務(wù)，這是電子人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)經(jīng)典挑戰(zhàn)：識(shí)別手寫(xiě)。

人類(lèi)手寫(xiě)可以有很大的不同，因此當(dāng)一個(gè)人仔細(xì)檢查一個(gè)潦草的數(shù)字序列時(shí)，大腦會(huì)執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)以識(shí)別它們。因?yàn)榧词谷祟?lèi)也難以識(shí)別其他人的潦草書(shū)寫(xiě)，識(shí)別手寫(xiě)數(shù)字是將智能編程到人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的常見(jiàn)測(cè)試。必須“教導(dǎo)”這些網(wǎng)絡(luò)如何識(shí)別數(shù)字，考慮手寫(xiě)的變化，然后將未知數(shù)字與其所謂的記憶進(jìn)行比較并確定數(shù)字的身份。

在自然論文中描述的作品中，作為本文第一作者的Cherry，證明了由精心設(shè)計(jì)的DNA序列制成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行規(guī)定的化學(xué)反應(yīng)，以準(zhǔn)確識(shí)別“分子手寫(xiě)”。與幾何形狀不同的視覺(jué)手寫(xiě)不同，分子手寫(xiě)的每個(gè)例子實(shí)際上都不是數(shù)字的形狀。相反，每個(gè)分子數(shù)由20個(gè)獨(dú)特的DNA鏈組成，這些DNA鏈選自100個(gè)分子，每個(gè)分子代表任何10×10模式的單個(gè)像素。將這些DNA鏈在試管中混合在一起。

“缺乏幾何形狀在自然分子特征中并不少見(jiàn)，但仍然需要復(fù)雜的生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)識(shí)別它們：例如，獨(dú)特氣味分子的混合物包含氣味，”錢(qián)說(shuō)。

給定分子手寫(xiě)的特定示例，DNA神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以將其分類(lèi)為多達(dá)九個(gè)類(lèi)別，每個(gè)類(lèi)別代表從1到9的九個(gè)可能的手寫(xiě)數(shù)字中的一個(gè)。

首先，Cherry構(gòu)建了一個(gè)DNA神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)區(qū)分手寫(xiě)的6s和7s。他測(cè)試了36個(gè)手寫(xiě)數(shù)字，并且試管神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正確識(shí)別了所有這些數(shù)字。他的系統(tǒng)理論上有能力將超過(guò)12,000個(gè)手寫(xiě)的6和7分類(lèi) - 這些數(shù)字的90%從手機(jī)編號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)中取得，廣泛用于機(jī)器學(xué)習(xí) - 分為兩種可能性。

這一過(guò)程的關(guān)鍵在于使用由Qian和Cherry開(kāi)發(fā)的DNA分子編碼“贏得所有人”的競(jìng)爭(zhēng)策略。在該策略中，在確定未知數(shù)的身份時(shí)，使用被稱(chēng)為殲滅者的特定類(lèi)型的DNA分子來(lái)選擇勝者。

“殲滅者與來(lái)自一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)者的一個(gè)分子和來(lái)自不同競(jìng)爭(zhēng)者的一個(gè)分子形成一個(gè)復(fù)合物，并反應(yīng)形成惰性的，非反應(yīng)性的物種，”Cherry說(shuō)。“殲滅者迅速吞噬所有競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的分子，直到只剩下一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的物種為止。然后，獲勝的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手恢復(fù)到高濃度并產(chǎn)生熒光信號(hào)，表明網(wǎng)絡(luò)的決定。”

接下來(lái)，Cherry建立了他的第一個(gè)DNA神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原則，開(kāi)發(fā)了一個(gè)更復(fù)雜的，一個(gè)可以分類(lèi)1到9的單個(gè)數(shù)字的數(shù)字。當(dāng)給出一個(gè)未知的數(shù)字時(shí)，這個(gè)“聰明的湯”會(huì)經(jīng)歷一系列的反應(yīng)和輸出兩個(gè)熒光信號(hào)，例如，綠色和黃色代表5，或綠色和紅色代表9。

Qian和Cherry計(jì)劃開(kāi)發(fā)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以從添加到試管中的實(shí)例中學(xué)習(xí)，形成“記憶”。這樣，錢(qián)說(shuō)，可以訓(xùn)練同樣的智能湯來(lái)執(zhí)行不同的任務(wù)。

“常見(jiàn)的醫(yī)學(xué)診斷檢測(cè)到一些生物分子的存在，例如膽固醇或血糖。” 櫻桃說(shuō)。“使用像我們這樣更復(fù)雜的生物分子電路，診斷測(cè)試有一天可能包括數(shù)百種生物分子，分析和響應(yīng)直接在分子環(huán)境中進(jìn)行。”