圖說(shuō)：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 來(lái)源/采訪對(duì)象供圖（下同）

近日，華東師范大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院裴昊教授團(tuán)隊(duì)和朱通副教授在生物傳感和人工智能交叉研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展。這是我國(guó)科研人員首次在試管中用DNA構(gòu)造出了卷積人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，也是迄今為止規(guī)模最大、功能最復(fù)雜的人工化學(xué)分子智能反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。

這一具有稀疏拓?fù)溥B接性的超大規(guī)模的試管DNA神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能直接處理復(fù)雜的生物分子信息，具備對(duì)32類(lèi)分子圖譜信息分類(lèi)能力。相關(guān)成果于近日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·機(jī)器智能》（Nature Machine Intelligence）上發(fā)表。

“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(lái)源于大腦中上百萬(wàn)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(chēng)世界上最為強(qiáng)大的生物計(jì)算機(jī)。

從還原論的角度來(lái)說(shuō)，所有生物現(xiàn)象（包括生物智能）都可歸結(jié)為物理-化學(xué)運(yùn)動(dòng)。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(lái)支持有限形式的智能行為，類(lèi)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)獲得者倫納德·阿德曼利用DNA分子為計(jì)算載體用于計(jì)算哈密頓路徑問(wèn)題，開(kāi)創(chuàng)了DNA計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，類(lèi)似于量子計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)。

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(guò)生化反應(yīng)來(lái)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(chēng)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(hào)信息，DNA計(jì)算機(jī)能夠使科學(xué)測(cè)量（感知信息）與化學(xué)反應(yīng)同步，對(duì)生命活動(dòng)中的分子特征信息進(jìn)行直接檢測(cè)與感知。普通的醫(yī)學(xué)檢測(cè)僅能測(cè)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(duì)數(shù)百種生物分子進(jìn)行診斷測(cè)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。

試管分子人工智能實(shí)現(xiàn)中國(guó)甲骨文字識(shí)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(kāi)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，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(xiàn)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(cè)。

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(duì)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(zhǎng)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(kāi)關(guān)門(mén)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(shí)別區(qū)域功能的模塊化，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)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，包括分子權(quán)重乘法、加法、減法、多輸入乘加（MAC）計(jì)算及復(fù)雜卷積計(jì)算?；诙喾N模塊化分子運(yùn)算單元的級(jí)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(duì)32類(lèi)144-bits分子模式圖譜識(shí)別分類(lèi)。

圖說(shuō)：DNA卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于中國(guó)甲骨文字識(shí)別

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(shí)別字跡作為任務(wù)。通過(guò)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(yǔ)言及32種手寫(xiě)文字的分類(lèi)，包括對(duì)中國(guó)甲骨文字（火、土、木、水、天、氣、人、生）的分類(lèi)識(shí)別。

“分子字跡”的準(zhǔn)確識(shí)別，充分說(shuō)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。

新民晚報(bào)記者郜陽(yáng)