圖說：華東師範大學化學與分子工程學院裴昊團隊及朱通副教授 來源/采訪對象供圖（下同）

近日，華東師範大學化學與分子工程學院裴昊教授團隊和朱通副教授在生物傳感和人工智能交叉研究領域取得新進展。這是我國科研人員首次在試管中用DNA構造出了卷積人工神經網絡，也是迄今為止規模最大、功能最複雜的人工化學分子智能反應網絡。

這一具有稀疏拓撲連接性的超大規模的試管DNA神經網絡能直接處理複雜的生物分子信息，具備對32類分子圖譜信息分類能力。相關成果于近日在國際學術期刊《自然·機器智能》（Nature Machine Intelligence）上發表。

“最強大腦”如何成就液态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元之間的複雜鍊接，這種精密而快速的連接所構成的神經網絡堪稱世界上最為強大的生物計算機。

從還原論的角度來說，所有生物現象（包括生物智能）都可歸結為物理-化學運動。有觀點認為，在基于神經元的大腦進化之前，相互作用的分子反應網絡為單細胞生命（例如細菌）提供了“智能”化行為以适應環境實現生存。

在現實世界中，生物工程領域存在一個相關的并且引人注目的挑戰：證明如何利用人工合成生物分子反應網絡來支持有限形式的智能行為，類似于神經大腦進化之前必然發生的情景。早在1994年，圖靈獎獲得者倫納德·阿德曼利用DNA分子為計算載體用于計算哈密頓路徑問題，開創了DNA計算機領域，類似于量子計算機、光子計算機。

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态組合而成，通過生化反應來進行高度并行性計算，實現分子信息快速處理，也有人稱之為“液态電腦”。

相較于傳統矽基計算機僅能處理符号信息，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。普通的醫學檢測僅能測量出少量生物分子，如果使用大規模生物分子電路，就有可能同時對數百種生物分子進行診斷測試，并直接在化學和生物環境中實現分析和診斷。

基于DNA分子鍊置換反應機制，研究人員實現了包括布爾邏輯計算、模拟計算及神經網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的規模及其複雜性，構建具有更強大計算能力的人工分子反應網絡，仍具有極大的挑戰性。

試管分子人工智能實現中國甲骨文字識别

電子計算機的主要元器件（從電子管到超大規模集成電路）的每一次更新換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，裴昊教授團隊一直緻力于核酸分子器件的設計和開發，提出了一種新的基于變構調控的DNA鍊置換反應機制，實現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，并實現了體内和體外多種疾病相關重要靶标分子的高靈敏、高選擇性的智能生物檢測。

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展，課題組針對發展超大規模DNA分子反應網絡關鍵科學難題，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卷積神經網絡的系統實現策略，以分子開關門架構為基礎電路組件，基于權重調節區域與識别區域功能的模塊化，實現了信号傳輸功能與權重賦予功能的獨立調控以實現權重共享。

實驗結果表明：該策略可以成功實現了多種數學運算，包括分子權重乘法、加法、減法、多輸入乘加（MAC）計算及複雜卷積計算。基于多種模塊化分子運算單元的級聯組合，課題組構建了一種大規模DNA神經網絡，包含512個分子物種，涉及數千種化學反應，可産生數百種分子産物，能實現對32類144-bits分子模式圖譜識别分類。

圖說：DNA卷積神經網絡用于中國甲骨文字識别

為了驗證DNA的神經網絡的能力，課題組選擇了電子人工神經網絡的一個經典挑戰——識别字迹作為任務。通過DNA分子構建的卷積神經網絡進行規定的化學反應，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）的分類識别。

“分子字迹”的準确識别，充分說明了所構建的DNA神經網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。

新民晚報記者郜陽

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