Нейронные сети традиционно создаются из электронных компонентов, но ученые из Калтеха пошли принципиально иным путем. Команда создала нейросеть из нитей ДНК, которая обрабатывает информацию через химические реакции. Ученые показали, что система вполне способна обучаться. Работа опубликована в журнале Nature.
Нейронная сеть из ДНК может стать основой для умных лекарств
Исследователи из Калифорнийского технологического института разработали первую нейронную сеть на основе ДНК, способную к обучению. Система выполняет вычисления через химические реакции вместо электронных сигналов. Работа открывает путь к «умным» лекарствам, адаптирующимся к патогенным угрозам в реальном времени, или «умным» материалам, обучающимся внешним условиям.
Абстрактное представление вычислений и обучения ДНК в капле. Olivier Wyart & Ailadi Cortelletti
Сегодня уже используются живые клетки как вычислительные элементы. Например, создаются генетические схемы внутри бактерий или дрожжей, которые могут выполнять логические операции. Клетки модифицируются так, чтобы они реагировали на определенные входные сигналы (химические вещества) и производили соответствующие выходные сигналы.
Способность к обучению проявляется по-разному на разных уровнях: мозг перестраивается для интеграции новой информации, иммунная система химически кодирует данные о патогенах, даже одноклеточные бактерии «изучают» химические градиенты для навигации к пище. Обучение — ключевой компонент любого интеллекта.
Иллюстрация жидкого обучения: Нейронная сеть ДНК самостоятельно развивает навыки решения задач.
«Наша цель состояла в том, чтобы создать молекулярную систему с нуля, которая могла обучаться на примерах, находить основные закономерности, а затем действовать на основе новой информации, которую она никогда раньше не видела», — объясняет соавтор работы Лулу Цянь.
ДНК распознает рукописные цифры
Обучение нейросети.
Основой исследования стала предыдущая работа 2018 года, когда исследователи создали ДНК-нейросеть для распознавания рукописных цифр. Молекулярные «изображения» состояли из 20 уникальных нитей ДНК, каждая представляла пиксель в шаблоне 10x10. Новая система развила эту концепцию, научившись самостоятельно формировать «воспоминания» в виде химических сигналов — молекулярных проводов.
Когда система встречает молекулярный пример рукописной цифры, она активирует набор проводов, создающих связи между числом и его физическими характеристиками. Со временем формируется физическая запись, хранящаяся в концентрациях определенных молекул ДНК. Каждая нейросеть работает в крошечной капле с миллиардами нитей ДНК более тысячи различных типов.
Работа открывает путь к «умным» лекарствам, адаптирующимся к патогенным угрозам в реальном времени, или «умным» материалам, обучающимся внешним условиям.