梅努斯大学的科学家证明自组装分子具有隐藏的类似神经网络的能力
我们倾向于将大脑和肌肉分开——大脑负责思考;肌肉负责思考。肌肉做事。大脑接收有关世界的复杂信息并做出决定，而肌肉只是执行。这种大脑与肌肉的分离也塑造了我们对单个细胞内过程的思考。细胞内的一些分子被视为“思想家”，它们吸收有关化学环境的信息并决定细胞为了生存需要做什么;单独地，其他分子被视为“肌肉”，构建生存所需的结构。
但一项新的研究表明，构建结构(即肌肉)的分子本身可以思考和行动。这项研究由梅努斯大学、芝加哥大学和加州理工学院的科学家于 1 月 17 日发表在《自然》杂志上。
两位资深教授之一、芝加哥大学副教授 Arvind Murugan 表示：“我们证明，一种自然分子过程——成核——长期以来一直被当作&luo;肌肉&ruo;来研究，可以进行与简单神经网络相媲美的复杂计算。”该论文的共同作者。“这是一种隐藏在众目睽睽之下的能力，进化可以在细胞中利用它以更少的资源做更多的事情;“做事”的分子也可以做“思考””。
用物理学思考
细胞需要识别它们所处的环境并做不同的事情才能生存。例如，某些分子组合可能表明一段需要蹲下的压力时期，而其他分子组合可能表明一段充裕的时期。但这些分子信号之间的差异可能很微妙——不同的环境可能涉及相同的分子，但比例不同。
该研究的主要作者、梅努斯大学汉密尔顿研究所研究员康斯坦丁·埃文斯博士解释说，这有点像走进房子闻到新鲜出炉的饼干的味道，而不是闻到燃烧的橡胶味。“你的大脑会根据你感知到的不同气味化学物质的组合来改变你的行为。我们开始询问分子系统的物理学是否可以做到同样的事情，尽管没有任何类型的大脑，”他说。
传统观点认为，细胞可能能够利用分子电路以这种方式感知和响应，分子电路在概念上类似于笔记本电脑中的电子电路。一些分子感知，其他分子决定做什么，最后“肌肉”分子执行一个动作(例如，构建一个结构)。
这里探讨的另一种想法是，所有这些任务——感知、决策、响应——都可以通过“肌肉”本身固有的物理原理一步完成。这项研究涉及的物理原理是“相变”——想象一杯水在达到 0°C 时结冰;首先，一小块冰“成核”，然后长大，直到整杯水结冰。
从表面上看，“冻结”行为(成核)的这些初始步骤并不 像“思考”。但这项工作表明，冷冻行为可以“识别”细微不同的化学组合(例如，燕麦葡萄干饼干与巧克力片的气味)，并构建不同的分子结构作为响应。
实验的稳健性
作者使用 DNA 纳米技术测试了基于成核决策的稳健性，这是 Erik Winfree 教授帮助开创的领域。“这个理论是通用的，应该适用于任何种类的分子。但 DNA 使我们能够通过实验研究数千种分子的复杂混合物中的成核作用，并系统地了解分子种类的影响以及它们之间的相互作用。”Erik 解释道。
该实验揭示了一些惊喜——基于“肌肉”的决策出奇地稳健且可扩展。理论上没有建模的并发症，例如实验过程中分子耗尽，结果证明是有帮助的，而不是有害的。结果， 相对简单的实验解决了涉及大约一千种分子的模式识别问题，比早期基于电路的方法大了近十倍。在每种情况下，分子聚集在一起构建不同的纳米级结构，以响应不同的化学模式——除了构建结构本身的行为决定构建什么。
这项工作指出了一种新的计算观点，它不涉及设计电路，而是设计物理学家所说的“相图”;例如，对于水，相图可能描述液态水冻结或沸腾的温度和压力条件。传统上，相图被视为描述类似“肌肉”的材料特性。但这项工作表明，当扩展到具有许多不同类型组件的复杂系统时，除了“做”之外，相图还可以编码“思考” 。
“物理学家传统上研究的是一杯水，它有很多分子，但所有分子都是相同的。但活细胞中充满了许多不同种类的分子，它们以复杂的方式相互作用。这导致多组件系统具有独特的新兴能力，”作为芝加哥大学物理学研究生参与这项研究的杰克逊·奥布莱恩博士说。这项工作中的理论在这种多组件系统和神经网络理论之间进行了数学类比;这些实验指出了这些多组件系统如何通过物理过程 学习正确的计算属性，就像大脑学习将不同的气味与不同的行为联系起来一样。
虽然这里的实验涉及试管中的 DNA 分子，但基本概念 - 具有多种组件的系统中的成核 - 广泛适用于许多其他分子和物理系统。作者希望这项工作能够促进人们发现其他多组件系统中隐藏的“思考”能力，而这些系统目前看起来只是“肌肉”。
该论文的标题是“非平衡自组装成核动力学中的模式识别”。资金由国家科学基金会、埃文斯分子医学基金会、欧洲研究理事会、爱尔兰科学基金会、芝加哥大学材料研究科学与工程中心、西蒙斯基金会和卡弗·米德新冒险基金提供。
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