Undersøgelse tyder på, at fysiske processer kan have skjulte neurale netværkslignende evner

Vi har en tendens til at adskille hjernen og musklen – hjernen tænker; musklen gør det. Hjernen optager kompleks information om verden og træffer beslutninger, og musklen udfører blot. Dette har også formet, hvordan vi tænker om en enkelt celle; nogle molekyler i celler ses som 'tænkere', der tager information om det kemiske miljø ind og beslutter, hvad cellen skal gøre for at overleve; separat ses andre molekyler som 'musklen', der bygger strukturer, der er nødvendige for at overleve.

Men en ny undersøgelse viser, hvordan de molekyler, der bygger strukturer, det vil sige musklen, selv kan både tænke og gøre. Undersøgelsen, udført af forskere fra University of Chicago, California Institute of Technology og Maynooth University, blev offentliggjort i Nature og kan foreslå veje til nye måder at tænke beregning på ved hjælp af fysikkens principper.

"Vi viser, at en naturlig molekylær proces - kernedannelse - der er blevet undersøgt som en 'muskel' i lang tid, kan lave komplekse beregninger, der konkurrerer med et simpelt neuralt netværk," sagde UChicago Assoc. Prof. Arvind Murugan, en af ​​de to senior medforfattere af papiret. "Det er en evne, der er skjult i almindeligt syn - de 'gørende' molekyler kan også gøre 'tænkningen'. Evolution kan udnytte dette faktum i celler til at få mere gjort med færre dele, med mindre energi og større robusthed."

Tænker ved hjælp af fysik

For at overleve skal celler genkende det miljø, de er i, og reagere i overensstemmelse hermed. For eksempel kan nogle kombinationer af molekyler indikere en tid med stress, der kræver at man søger ned, mens andre kombinationer af molekyler kan indikere en tid med overflod. Forskellen mellem disse molekylære signaler kan dog være subtil - forskellige miljøer kan involvere de samme molekyler, men i forskellige proportioner.

Constantine Evans, hovedforfatteren af ​​undersøgelsen, forklarede, at det er lidt ligesom at gå ind i et hus og lugte friskbagte småkager i forhold til at lugte brændende gummi. "Din hjerne ville ændre din adfærd afhængigt af, at du fornemmer forskellige kombinationer af lugtende kemikalier," sagde han. "Vi satte os for at spørge, om bare fysikken i et molekylært system kan gøre det samme, selvom det ikke har en hjerne af nogen art."

Den traditionelle opfattelse har været, at celler kan være i stand til at sanse og reagere på denne måde ved hjælp af molekylære kredsløb, der konceptuelt ligner de elektroniske kredsløb i din bærbare computer; nogle molekyler fornemmer mængden af ​​salt og syre i miljøet, andre molekyler træffer en beslutning om, hvad de skal gøre, og endelig kan "muskel"-molekyler udføre en handling som reaktion, som at bygge en indre beskyttende struktur eller en pumpe til at fjerne uønskede molekyler .

Murugan og hans kolleger ønskede at udforske en alternativ idé:at alle disse opgaver – sansning, beslutningstagning, respons – kan udføres i ét trin af den fysik, der er iboende for 'muskel'-molekylerne, der bygger en struktur.

Det gjorde de ved at arbejde med princippet om "faseovergange". Tænk på et glas vand, der fryser, når det rammer 32F; først 'kerner' et lille fragment af is og vokser derefter ud, indtil hele glaset vand er frosset.

Umiddelbart ligner disse indledende trin i frysningen - kaldet 'kernedannelse' i fysik - ikke om 'tænkning'. Men den nye undersøgelse viser, at nedfrysningshandlingen kan "genkende" subtilt forskellige kemiske kombinationer - f.eks. lugten af ​​havregrynsrosinkager versus chokoladechips - og opbygge forskellige molekylære strukturer som svar.

Robusthed i eksperimenter

Forskerne testede robustheden af ​​'faseovergange'-baseret beslutningstagning ved hjælp af DNA-nanoteknologi, et område som Erik Winfree (BS'91) hjalp med at pionere. De viste, at en blanding af molekyler ville danne en af ​​tre strukturer afhængigt af, hvilke koncentrationer af molekyler der var til stede i bægerglasset.

"I hvert tilfælde kom molekylerne sammen for at bygge forskellige strukturer i nanometerskala som reaktion på forskellige kemiske mønstre - bortset fra at det at bygge strukturen i sig selv tog beslutningen om, hvad der skulle bygges," sagde Winfree.

Eksperimentet afslørede, at denne 'muskel'-baserede beslutningstagning var overraskende robust og skalerbar. Med relativt simple eksperimenter kunne forskerne løse mønstergenkendelsesproblemer, der involverer omkring tusind slags molekyler - næsten et 10 gange større problem, end man tidligere havde gjort ved hjælp af andre tilgange, der adskilte "hjerne" og "muskel"-komponenter.

Arbejdet peger på et nyt syn på beregning, der ikke involverer design af kredsløb, men snarere design af det, fysikere kalder et fasediagram. For vand kan et fasediagram for eksempel beskrive temperatur- og trykforhold, hvor flydende vand vil fryse eller koge, hvilket er 'muskel'-lignende materialeegenskaber. Men dette arbejde viser, at fasediagrammet også kan kode 'tænkning' ud over 'at gøre', når det skaleres op til komplekse systemer med mange forskellige slags komponenter.

"Fysikere har traditionelt studeret ting som et glas vand, som har mange molekyler, men alle er identiske. Men en levende celle er fuld af mange forskellige slags molekyler, der interagerer med hinanden på komplekse måder," sagde medforfatter. Jackson O'Brien (Ph.D.'21), som var involveret i undersøgelsen som UChicago-studerende i fysik. "Dette resulterer i distinkte nye muligheder for multi-komponent systemer."

Teorien i dette arbejde tegnede matematiske analogier mellem sådanne multi-komponent systemer og teorien om neurale netværk; eksperimenterne pegede på, hvordan disse multikomponentsystemer kan lære de rigtige beregningsegenskaber gennem en fysisk proces, ligesom hjernen lærer at forbinde forskellige lugte med forskellige handlinger.

Mens eksperimenterne her involverede DNA-molekyler i et reagensglas, gælder de underliggende begreber - kernedannelse i systemer med mange slags komponenter - bredt for mange andre molekylære og fysiske systemer, sagde forfatterne.

"DNA lader os eksperimentelt studere komplekse blandinger af tusindvis af slags molekyler og systematisk forstå virkningen af, hvor mange slags molekyler der er og den slags interaktioner, de har, men teorien er generel og bør gælde for enhver form for molekyle, " forklarede Winfree.

"Vi håber, at dette arbejde vil anspore arbejdet med at afdække skjulte 'tænkeevner' i andre multikomponentsystemer, der i øjeblikket ser ud til blot at være 'muskler'," sagde Murugan.

Flere oplysninger: Constantine Glen Evans et al., Mønstergenkendelse i nukleationskinetikken for ikke-ligevægts-selvsamling, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06890-z

Journaloplysninger: Natur

Leveret af University of Chicago