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——大脑进行思考；肌肉起作用。大脑接收关于世界的复杂信息并做出决定，而肌肉只是执行。这也影响了我们对单个细胞的看法；细胞内的一些分子被视为“思考者”，它们吸收有关化学环境的信息，并决定细胞需要做什么才能生存；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，构建结构的分子，即肌肉，是如何自己完成思考和行动的。这项由芝加哥大学、加州理工学院和梅努思大学的科学家进行的研究发表在《自然》杂志上，可能会为利用物理学原理思考计算提供新的途径。
该论文的两位高级合著者之一、UChicago副教授Arvind Murugan说：“我们表明，一个长期以来被研究为‘肌肉’的自然分子过程——成核——可以进行复杂的计算，与简单的神经网络相媲美。”“这是一种隐藏在人们眼前的能力——‘做’分子也可以做‘思考’。进化可以利用细胞中的这一事实，用更少的部件、更少的能量和更大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，一些分子的组合可能表示需要蹲下的压力时间，而其他分子的组合则可能表示充足的时间。然而，这些分子信号之间的差异可能是微妙的——不同的环境可能涉及相同的分子，但比例不同。
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该研究的主要作者康斯坦丁·埃文斯解释说，这有点像走进一所房子，闻到新鲜出炉的饼干味，而不是闻到燃烧的橡胶味。他说：“你的大脑会根据你对气味化学物质的不同组合的感知来改变你的行为。”“我们开始问，尽管没有任何类型的大脑，但分子系统的物理学是否也能做到这一点。”
传统观点认为，细胞可能能够通过使用概念上类似于笔记本电脑中电子电路的分子电路来感知和响应；一些分子感知环境中的盐和酸的量，其他分子决定该做什么，最后“肌肉”分子可能会做出反应，比如建立一个内部保护结构或泵来去除不需要的分子。
Murugan和他的同事们想探索另一种想法：所有这些任务——传感、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。想象一下，当温度达到32华氏度时，一杯水会结冰；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，冷冻过程中的这些最初步骤——在物理学中被称为“成核”——与“思考”并不相似。但新的研究表明，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和巧克力片的气味，并建立不同的分子结构作为反应。
实验中的稳健性
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，Erik Winfree（BS’91）帮助开创了这一领域。他们表明，分子混合物将形成三种结构中的一种，这取决于烧杯中分子的浓度。
温弗里说：“在每种情况下，分子都会聚集在一起，根据不同的化学模式构建不同的纳米级结构——除了构建结构本身就决定了构建什么。”
实验表明，这种基于“肌肉”的决策具有惊人的鲁棒性和可扩展性。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近10倍。
这项工作指向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，这是类似“肌肉”的材料特性。但这项工作表明，当放大到复杂的系统时，相图除了“做”之外，还可以编码“思考”