科学家发现隐藏的自组装分子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;肌肉在做。大脑接收有关世界的复杂信息，做出决定，而肌肉只是执行。这种区别延伸到我们对细胞过程的理解，其中细胞内的某些分子被视为“思想家”，处理来自化学环境的信息以确定生存的必要行动，而其他分子则被视为“肌肉”，构建细胞生存的基本结构。

但一项新的研究表明，构建结构的分子，即肌肉，如何自己既能思考又能做事。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完成，发表在《自然》杂志上。

“我们表明，长期以来一直被研究为’肌肉’的自然分子过程 – 成核 – 可以进行复杂的计算，可以与简单的神经网络相媲美，”芝加哥大学副教授Arvind Murugan说，他是该论文的两位高级合著者之一。“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，用更少的钱做更多的事情;’做’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，并做不同的事情来生存。例如，一些分子组合可能表示需要蹲下的压力时间，而其他分子组合可能表示充足的时间。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，这有点像走进一所房子，闻到新鲜出炉的饼干，而不是闻到燃烧的橡胶。“你的大脑会改变你的行为，这取决于你感觉到气味化学物质的不同组合。我们开始研究，尽管没有任何类型的大脑，但分子系统的物理学是否可以做同样的事情，“他说。

传统观点认为，细胞可能能够使用分子电路以这种方式感知和响应，这些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，构建结构）。

这里探讨的另一种想法是，所有这些任务——感知、决策、反应——都可以通过“肌肉”本身固有的物理学一步完成。这项研究涉及的物理学是“相变”——想想一杯水在达到 0 °C 时结冰;首先，一小块冰“成核”，然后长出来，直到整杯水结冰。

从表面上看，“冻结”行为的这些初始步骤——成核——与“思考”不同。但这项工作表明，冷冻行为可以“识别”微妙不同的化学组合 – 例如，燕麦葡萄干饼干与巧克力片的气味 – 并建立不同的分子结构作为响应。

实验中的鲁棒性

作者使用DNA纳米技术测试了基于成核的决策的稳健性，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。但是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，并系统地了解有多少种分子以及它们具有什么样的相互作用的影响“，埃里克解释说。

该实验揭示了一些惊喜——基于“肌肉”的决策令人惊讶地稳健和可扩展。理论上没有建模的并发症，例如在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近10倍。在每种情况下，这些分子聚集在一起，以响应不同的化学模式来构建不同的纳米级结构 – 除了构建结构本身的行为决定了构建什么。

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，相图可以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种类组件的复杂系统时，相图除了“做”之外，还可以编码“思考”。

“物理学家传统上研究的东西就像一杯水，它有很多分子，但它们都是相同的。但是活细胞充满了许多不同种类的分子，这些分子以复杂的方式相互作用。这导致了多组分系统的独特涌现能力，“杰克逊·奥布莱恩博士说，他作为芝加哥大学物理学研究生参与了这项研究。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，这些多组件系统如何通过物理过程学习正确的计算特性，就像大脑学习将不同的气味与不同的动作联系起来一样。

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。作者希望这项工作能够激发人们的工作，以发现其他多组件系统中隐藏的“思维”能力，这些系统目前似乎只是“肌肉”。