Технология в будущем ляжет в основу умных лекарств или материалов, способных учиться и подстраиваться под условия среды.
Ученые Калифорнийского технологического института разработали необычную нейронную сеть: вместо электронных компонентов она состоит из нитей ДНК, а вычисления выполняются не цифровыми сигналами, а химическими реакциями. Как сообщает журнал Nature, это первый шаг к созданию химических систем, способных к обучению — ключевому свойству интеллекта.
В обычных искусственных нейросетях обучение — это процесс, когда система распознает закономерности и сохраняет их для будущих решений. Теперь та же способность показана и в молекулярной сети из ДНК.
«Наша цель состояла в том, чтобы построить молекулярную систему с нуля, которая могла бы брать примеры, находить основные закономерности, а затем действовать на основе новой информации, которую она никогда не видела раньше», — объясняет руководитель проекта Лулу Цянь.
Идея ученых опирается на то, что обучение свойственно самым разным уровням живой природы: от человеческого мозга, который перестраивается при получении новой информации, до иммунной системы, «запоминающей» встречи с патогенами, и даже бактерий, реагирующих на химические градиенты в среде.
Это не первая работа команды Цяня и его коллеги Кевина Черри. В 2018 году они создали систему из ДНК, которая могла распознавать рукописные цифры. В классических электронных нейросетях для этого используют изображения из пикселей, но в ДНК-версии каждый «пиксель» представлялся отдельной нитью ДНК. Для распознавания применялись химические реакции: правильный ответ выдавался в виде флуоресцентного сигнала, например, красного для «0» или синего для «1».
Новая работа делает шаг дальше. Сеть не просто сопоставляет шаблоны, а формирует собственные «воспоминания», закодированные в концентрации молекул. Эти воспоминания закрепляются в специальных «молекулярных проводах», которые можно менять химическим образом. Таким образом, сеть может учиться — то есть хранить опыт и использовать его для обработки новых данных.
«Нейроны, которые активируются (возбуждаются) вместе, соединяются друг с другом сильнее», — гласит правило Хэбба. Здесь принцип схож и в ДНК-сети есть своебразная «проводка», которая включается химическими реакциями, а память фиксируется в концентрациях молекул.
По словам Черри, путь к этой системе занял семь лет.
«В сложной молекулярной системе устранение одной проблемы было похоже на исправление утечки в плотине только для того, чтобы открыть еще одну. Вместо того, чтобы решать задачи по одной, нам пришлось взглянуть на картину целиком и придумать универсальные решения», — говорит исследователь.
В итоге команда решила начать с нуля и создала целостный дизайн, позволивший наконец достичь цели.
Зачем учить ДНК-сети
Исследование открывает путь к созданию «умных» биотехнологий. Ученые проекта отмечают, что в будущем такие молекулярные сети могут лечь в основу адаптивных лекарств, которые будут реагировать на изменения в организме в реальном времени, или материалов, способных учиться и подстраиваться под условия среды. Например, повязка, которая сама реагирует на состояние кожи и ускоряет заживление ран.