研究表明物理过程可能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。这也塑造了我们对单个细胞的看法。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;另外，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。这项研究由芝加哥大学、加州理工学院和梅努斯大学的科学家共同完成，发表在《自然》杂志上，可能为利用物理原理思考计算的新方法提供途径。

芝加哥大学副教授说：“我们证明，一种自然分子过程——成核——长期以来一直被当作‘肌肉’来研究，可以进行与简单神经网络相媲美的复杂计算。”ArvindMurugan教授是该论文的两位资深合著者之一。“这是一种隐藏在显而易见的能力——‘行动’分子也可以‘思考’。进化可以利用细胞中的这一事实，以更少的部件、更少的能量和更强的鲁棒性完成更多的工作。”

用物理学思考

为了生存，细胞需要识别它们所处的环境并做出相应的反应。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。然而，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。

该研究的主要作者康斯坦丁·埃文斯(ConstantineEvans)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的味道。“你的大脑会根据你感知到的有气味化学物质的不同组合来改变你的行为，”他说。“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，尽管它没有任何类型的大脑。”

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。一些分子感知环境中盐和酸的含量，其他分子决定要做什么，最后“肌肉”分子可能会采取相应行动，例如构建内部保护结构或泵来去除不需要的分子。

Murugan和他的同事想要探索另一种想法：所有这些任务——感知、决策、响应——都可以通过构建结构的“肌肉”分子固有的物理原理一步完成。

他们通过“相变”原理做到了这一点。想象一杯水在温度达到32华氏度时结冰;首先，一小块冰“成核”，然后长大，直到整杯水结冰。

从表面上看，冻结行为的这些初始步骤(物理学中称为“成核”)并不像“思考”。但新研究表明，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

科学家们使用DNA纳米技术测试了基于“相变”的决策的稳健性，这是ErikWinfree(BS'91)帮助开创的领域。他们表明，根据烧杯中存在的分子浓度，分子混合物会形成三种结构之一。

“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，”温弗里说。

实验表明，这种基于“肌肉”的决策具有惊人的稳健性和可扩展性。通过相对简单的实验，研究人员可以解决涉及大约一千种分子的模式识别问题，这个问题比之前使用其他分离“大脑”和“肌肉”成分的方法解决的问题大了近十倍。

这项工作提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，这是类似“肌肉”的材料属性。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”。

“传统上，物理学家研究的是一杯水，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，”合著者说JacksonO'Brien(Ph.D.'21)作为芝加哥大学物理学研究生参与了这项研究。“这导致多组件系统具有独特的新兴功能。”

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。

作者说，虽然这里的实验涉及试管中的DNA分子，但其基本概念——具有多种成分的系统中的成核——广泛适用于许多其他分子和物理系统。

“DNA让我们能够通过实验研究数千种分子的复杂混合物，并系统地了解分子种类的影响以及它们之间相互作用的种类，但该理论是通用的，应该适用于任何种类的分子，”温弗里解释道。

穆鲁根说：“我们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’。”

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