[發(fā)明專利]基于DNA籠狀結(jié)構(gòu)的人工神經(jīng)元計(jì)算模型構(gòu)建方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011235712.3
• 申請(qǐng)日: 2020-11-06
• 公開（公告）號(hào): CN112331258A
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張強(qiáng);張立云;王賓;魏小鵬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連大學(xué)
• 主分類號(hào): G16B5/00
• 分類號(hào): G16B5/00;G06N3/06
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 姜玉蓉;李洪福

本發(fā)明公開了一種基于DNA籠狀結(jié)構(gòu)的人工神經(jīng)元計(jì)算模型構(gòu)建方法，包括：構(gòu)造帶有rA修飾的籠狀結(jié)構(gòu)、將籠狀結(jié)構(gòu)作為人工神經(jīng)元模型的輸入層，采用E6 DNAzyme作為神經(jīng)元的權(quán)重；構(gòu)建歸一化模塊，利用E6 DNAzyme Z1、Z2、Z3作為神經(jīng)元的權(quán)重；利用E6 DNAzyme酶切帶rA修飾的籠狀結(jié)構(gòu)構(gòu)造歸一化模塊，酶切反應(yīng)產(chǎn)生的不同輸出作為歸一化反應(yīng)的輸入，通過(guò)歸一化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)加權(quán)和過(guò)程；通過(guò)鏈置換的可逆反應(yīng)和鏈置換的反應(yīng)速率構(gòu)造線性閾值處理模塊，即神經(jīng)元的閾值函數(shù)；連接歸一化模塊和閾值處理模塊，使歸一化輸出優(yōu)先與“Threshold門”反應(yīng)，反應(yīng)完之后再與“Output門”反應(yīng)，最終產(chǎn)生真正的輸出，即最后連接各個(gè)模塊構(gòu)成人工神經(jīng)元模型。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及屬于生物計(jì)算領(lǐng)域，尤其涉及一種基于DNA籠狀結(jié)構(gòu)的人工神經(jīng)元計(jì)算模型構(gòu)建方法。

背景技術(shù)

迄今為止，DNA計(jì)算在理論、設(shè)計(jì)以及應(yīng)用等方面都取得了很大的進(jìn)展，在信息處理、分子智能、分子加密、納米機(jī)器等多個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)得到深入的研究。目前大多數(shù)基于DNA分子的生物計(jì)算動(dòng)態(tài)操作均依賴于DNA網(wǎng)絡(luò)中DNA序列的鏈置換反應(yīng)。DNA鏈置換的計(jì)算原理是DNA分子會(huì)始終向最穩(wěn)定的狀態(tài)遷移，在反應(yīng)體系中，最穩(wěn)定的互補(bǔ)DNA鏈會(huì)結(jié)合，其他的DNA鏈則會(huì)被置換。其具備反應(yīng)速度快、靈敏度高、且高度并行等優(yōu)點(diǎn)，也因此被廣泛應(yīng)用到DNA分子邏輯計(jì)算模型的研究中。

2011年，Winfree研究組以DNA鏈置換為核心技術(shù)構(gòu)建了迄今為止最復(fù)雜的數(shù)字邏輯計(jì)算電路，涉及到的獨(dú)立的DNA鏈達(dá)到130個(gè)，可以計(jì)算4位二進(jìn)制數(shù)的開平方計(jì)算。這雖然在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)上早就不是新鮮事，但在分子計(jì)算領(lǐng)域卻是不可思議的突破。至今還沒有人用其他的分子計(jì)算技術(shù)可以突破這一壯舉。又設(shè)計(jì)了蹺蹺板門(seesaw gate)，以此為核心搭建了會(huì)“猜心術(shù)”的4神經(jīng)元霍普菲爾德神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型，展示了DNA計(jì)算在分子智能領(lǐng)域的更多可能性。

早在2010年，Johann Elbaz等利用核酶能夠特異性切割底物的特性，通過(guò)調(diào)控核酶的結(jié)構(gòu)，編程核酶對(duì)底物的切割，構(gòu)建了一系列邏輯門(YES、AND、INHIBIT、XOR)，并且將它們級(jí)聯(lián)組成更加復(fù)雜的DNA邏輯電路。

盡管L.L.Qian等已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了DNA神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建，但都是基于基本的鏈置換反應(yīng)進(jìn)行的，所涉及到的DNA鏈數(shù)量極多，實(shí)現(xiàn)所有的反應(yīng)過(guò)程就比較繁瑣復(fù)雜，極易產(chǎn)生泄漏。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明公開了一種基于DNA籠狀結(jié)構(gòu)的人工神經(jīng)元計(jì)算模型構(gòu)建方法，具體包括如下步驟：

構(gòu)造帶有rA修飾的籠狀結(jié)構(gòu)、將籠狀結(jié)構(gòu)作為人工神經(jīng)元模型的輸入層，采用E6DNAzyme作為神經(jīng)元的權(quán)重；

構(gòu)建歸一化模塊，利用E6DNAzyme Z1、Z2、Z3作為神經(jīng)元的權(quán)重；

利用E6DNAzyme酶切帶rA修飾的籠狀結(jié)構(gòu)構(gòu)造歸一化模塊，酶切反應(yīng)產(chǎn)生的不同輸出作為歸一化反應(yīng)的輸入，通過(guò)歸一化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)加權(quán)和過(guò)程；

通過(guò)鏈置換的可逆反應(yīng)和鏈置換的反應(yīng)速率構(gòu)造線性閾值處理模塊，即神經(jīng)元的閾值函數(shù)；

連接歸一化模塊和閾值處理模塊，使歸一化輸出優(yōu)先與Threshold門反應(yīng)，反應(yīng)完之后再與Output門反應(yīng)，最終產(chǎn)生真正的輸出，最后連接各個(gè)模塊構(gòu)成人工神經(jīng)元模型。

進(jìn)一步的，構(gòu)造帶有rA修飾的籠狀結(jié)構(gòu)從而滿足E6DNAzyme識(shí)別并切割帶rA修飾的單鏈的特性、同時(shí)隱藏后續(xù)反應(yīng)的toehold區(qū)域。

進(jìn)一步的，將E6DNAzyme設(shè)置為不被消耗和反復(fù)使用狀態(tài)、將其作為權(quán)重使酶切反應(yīng)高效進(jìn)行。

進(jìn)一步的，將酶切反應(yīng)產(chǎn)生的不同輸出通過(guò)歸一化模塊實(shí)現(xiàn)加權(quán)和過(guò)程、使輸出歸一化。