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Nonlinear decision-making with enzymatic neural networks

神经形态工程学 人工神经网络 计算机科学 DNA运算 非线性系统 计算 杠杆(统计) 人工智能 拓扑(电路) 理论计算机科学 算法 数学 物理 量子力学 组合数学
作者
Shu Okumura,Guillaume Gines,Nicolas Lobato‐Dauzier,Alexandre Baccouche,Robin Deteix,Teruo Fujii,Yannick Rondelez,Anthony J. Genot
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:610 (7932): 496-501 被引量:20
标识
DOI:10.1038/s41586-022-05218-7
摘要

Artificial neural networks have revolutionized electronic computing. Similarly, molecular networks with neuromorphic architectures may enable molecular decision-making on a level comparable to gene regulatory networks1,2. Non-enzymatic networks could in principle support neuromorphic architectures, and seminal proofs-of-principle have been reported3,4. However, leakages (that is, the unwanted release of species), as well as issues with sensitivity, speed, preparation and the lack of strong nonlinear responses, make the composition of layers delicate, and molecular classifications equivalent to a multilayer neural network remain elusive (for example, the partitioning of a concentration space into regions that cannot be linearly separated). Here we introduce DNA-encoded enzymatic neurons with tuneable weights and biases, and which are assembled in multilayer architectures to classify nonlinearly separable regions. We first leverage the sharp decision margin of a neuron to compute various majority functions on 10 bits. We then compose neurons into a two-layer network and synthetize a parametric family of rectangular functions on a microRNA input. Finally, we connect neural and logical computations into a hybrid circuit that recursively partitions a concentration plane according to a decision tree in cell-sized droplets. This computational power and extreme miniaturization open avenues to query and manage molecular systems with complex contents, such as liquid biopsies or DNA databases.
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