Впервые учеными создана биологическая схема, действующая как искусственная нейронная сеть.
Благодаря своему недавнему открытию, ученые с факультета биомедицинской инженерии Техниона смогли добиться распознавания определенных геометрических узоров — например, букв — колониями микробов, имитирующими искусственную нейронную сеть.
Метод ученых основан на изменении способа коммуникации внутри колоний микробов в природе. Исследование, проведенное доктором Симингом Ли и доцентом Рамезом Даниэлем, было опубликовано в журнале Nature Communications.
Лаборатория профессора Даниэля занимается синтетической биологией, в частности, созданием биологических цепей, по сути сочетающих принципы биологии и электроники. Подобно электронным переключателям, которые можно включать и выключать, клетки спроектированы так, чтобы «включаться» и выполнять функцию, например флуоресценцию, в ответ на определенный стимул. Используя эту технику, группа разработала биологические «датчики», которые распознают присутствие мышьяка и других ядов в воде или наличие крови в моче.
Однако клетки способны выполнять более сложные функции, чем простой переключатель «да / нет». Колонии микробов в природе способны к внутренней коммуникации. Например, они могут по-разному реагировать на внешние раздражители, когда колоний мало или же когда их много. Это явление, называемое «восприятием кворума», также проявляется, например, когда наша иммунная система мобилизуется против инфекции — клетки передают информацию о том, какой патоген попал в организм, какая реакция требуется и многое другое. Одна клетка сама по себе а может быть «глупой», но вся колония, как правило, «умная». Именно это явление группа профессора Даниэля использовала, чтобы в несколько раз повысить алгоритмическую сложность задачи и впервые создать биологическую схему, действующую как искусственная нейронная сеть, способная выполнять относительно сложную задачу: распознавание образов. Строительными блоками для нее стали модифицированные бактерии E. coli.
Созданные таким образом геометрические узоры — это доказательство концепции того, что могут делать биологические схемы, действующие как искусственная нейронная сеть. В будущем мы можем увидеть биоинженерные системы, отслеживающие токсины, диагностирующие рак и используемые для регенерации тканей. У нас могут даже появиться биологические компьютеры. Интересно наблюдать, как синтетическая биология, стремящаяся имитировать электронику в биологических системах, прошла полный цикл, создав подобие искусственной нейронной сети, которая, конечно же, вдохновлена человеческим мозгом — самой сложной биологической системой.
Профессор Даниэль начал работать над биологическими вычислениями во время своей постдокторской стажировки в Массачусетском технологическом институте (MIT). Биологические цепи, действующие как искусственная нейронная сеть, представляют собой новую разработку и концептуальный прогресс в той же области. Это стало возможным с помощью доцента Нетанела Корина, также с факультета биомедицинской инженерии Техниона. Доктор Ли — научный сотрудник лаборатории профессора Даниэля — защитила кандидатскую диссертацию по вычислительной нейробиологии в Университете Огайо.
https://mfa.gov.il/mfarus/innovativeisrael/bi%D0%BEtech/pages/the-technion-is-teaching-microbes-their-letters.aspx
