主题：计算机

据英国《每日邮报》网站4月15报道，人脑的能力或许会让现有机器相形见绌，但科学家们目前正打算让全球功能最强大的超级计算机变身为“人脑”。如果成功，那么，该“人造大脑”将彻底变革我们对阿尔茨海默病等神经疾病的理解，甚至让我们进一步洞悉人类如何思考、做决定等。

　　该项目的领导者是瑞士洛桑联邦综合理工学院的电脑工程师亨利·马克拉姆，他将同包括英国剑桥大学韦尔科姆基金会桑格研究所在内的欧洲科研团队携手合作。

　　他们打算让这台计算机将迄今所有与大脑运行的未解之谜有关的信息结合在一起，并将这些信息复制在屏幕上，甚至精确到单个细胞和分子的程度。他们希望该项目能在12年内“竣工”。

　　马克拉姆说：“人脑极其复杂，其拥有数十亿个相互连接的神经元，使神经科学家很难真正理解大脑的工作原理，而模拟大脑将使我们能操纵并测量大脑的各个方面。”

　　该“大脑”位于德国杜塞尔多夫的一个研究机构内，将突出展示围绕一个半圆形“座舱”而建立的几千幅三维图像，这样，科学家们能虚拟地“飞行于”不同的区域并观察这些神经元之间的相互连接。

　　这台超级计算机旨在将全球目前正在进行的神经科学研究整合为一个平台，全球每年约有6万多篇与神经科学有关的论文发表。项目完成后，科学家们可能会使用这台超级计算机测试新药，这会大大节省新药获批所需的时间，并研发出更智能的机器人和计算机。

　　该项目已经收到欧盟提供的资助，也已被列入将于下月发放的10亿欧元援助基金的备选项目之一。

　　过去15年中，马克拉姆领导的研究团队一直在该领域辛勤地耕耘着，他们用计算机模拟出了大脑皮质柱（哺乳动物大脑的基本组成部分）工作原理，也模拟出了实验鼠的部分大脑。

　　但人脑完全不同。人脑拥有1000亿个神经元，每个神经元每秒会执行数十亿次计算，与一台台式机差不多。如果要求该“大脑计算机”每秒执行1018次计算，需要一个核电站来为其提供能量，这将成为科学家们面临的主要一个挑战。

　　不过，也有人担心“操控”人脑并制造出能自我思考的计算机会带来可怕的灾难。比如，德国就有媒体将该科研团队称为“弗兰肯斯坦团队”。弗兰肯斯坦是英国小说家玛丽·雪莱创作的科幻小说《弗兰肯斯坦》中的主人公的名字，是迄今最著名的人造生命缔造者，小说讲述了科学家利用高科技打造人造怪物的故事。但马克拉姆表示：“如果我们取得成功，会让全球约20亿脑部受损者受益。”

　　对于很多科学家来说，大脑仍是一位“熟悉的陌生人”，有很多未解之谜。大脑已经经历了数百万年的进化，很多科学家将其看成是科学领域的“终极挑战”。研究人员表示：“知道大脑的工作原理有望带来巨大的进步。”

世上一些不起眼的微小生物因其独特的生活方式，往往蕴含着我们人类想象不到的科学行为。近日，日本科学家发现单细胞生物黄色黏菌可能成为设计新一代生物计算机的关键参考，帮助解决电脑处理不了的导航问题。
据英国《每日邮报》12月28日报道，黄色黏菌是一种长寿命的微生物，已经在地球上存活了数亿年的时间，并且已经进化到具有处理危险环境的能力。日本公立函馆未来大学的中垣俊之（Toshiyuki  Nakagaki）教授对它进行研究后发现，这种生物具有某种难以相信的智慧。
研究人员发现，黄色黏菌可以在迷宫一样的线路中，找到通往食物的最直接路径，同时可以记住有危险的区域，避免光等会给它们带来伤害的区域。研究人员认为，这种单细胞生物有信息加工处理的能力，这一点出乎大多数人的意料，因为有些任务连高端计算机和软件都无法完成。
中垣俊之在接受媒体采访时说：“简单生物可以解决某些难题，如果你想了解智慧的精髓，那么从这种简单的生物入手更容易。”
事实上，黄色黏菌并非人们想象中的那么聪明，只不过它对能给其带来伤害的压力反应非常灵敏。借助这种能力，它创建起一个能够标注出存在危险信号的网络，解决了电脑都处理不了的导航难题，该网络创建的原理是研发新一代生物计算机的关键。
如今其他研究人员也认同了这个观点：理解这些黏菌的导航功能，是理解人类智慧的关键。“我对利用黏菌创建生物计算机的研究十分感兴趣，因为黏菌的信息处理系统与人类大脑的信息处理系统十分接近，”日本埼玉县理化学研究所的研究院青野正秀（Masahi  Aono）说。以这种原理为基础，科学家可能研制出全新的生物计算机。
之前，中垣俊之已经证明黏菌具有建立如东京铁路网这样高效运输网络的能力，并且他的这项研究获得了2010年的搞笑诺贝尔奖。
新浪科技讯北京时间12月31日消息，据国外媒体报道，日本公立函馆未來大学科学家近日在研究中发现一种奇特的现象，即一种黄色黏菌能够像变形虫那样调整和组织自己的形态，能够在迷宫中“思考”最佳的直接路径以穿过迷宫。科学家认为，这种黏菌似乎拥有某种不确定的智能迹象，或许有可能用于未来“生物计算机”的研制。  
研究人员介绍说，这种现象其实是由黏菌微生物群形成的。黏菌微生物群形可以自我组织，这样就可以找到穿过迷宫的最直接路径快速寻找食物，同时还可以避开光线的伤害。此外，研究人员在实验中还发现，黏菌似乎还能够记忆“危险区域”并提前避开。  
经过上亿年的进化，这种微生物似乎已懂得如何应对危险的环境。它们的这种能力已超越现代许多先进的计算机和软件的“信息处理”水平。大多数人似乎难以相信，这种单细胞生物竟然拥有如此强大的“信息处理”能力。  
日本公立函馆未來大学科学家中垣俊之介绍说，“黏菌能够解决某些类型的难题。如果你想研究生物智能的本质，利用这些简单的生物可能更容易实现。”不过，黏菌并非如我们想像的那样智能。但是，通过灵活地应对和适应光线等外界压力，它们能够解决许多导航问题，这些问题也是制约计算机发展的因素之一。  
通过研究，这些黏菌细胞似乎是以一种网络的形态在工作，它们甚至能够记住所经历过的压力和危险，并且学会适应之。研究人员认为，这种最原始的网络或许可以成为新一代生物计算机的制造设计原理。中垣俊之介绍说，通过这种原始的导航系统，黏菌还能够“设计”出一种类似于东京铁路网络的网络系统。中垣俊之也因为相关研究获得了2010年搞笑诺贝尔奖。  
如今，许多科学家开始认同中垣俊之的研究成果，他们认为，这些原始生物导航系统或许可以成为理解人类智能的关键。日本其他一些研究人员也开始致力于对这一现象的深入研究，他们设计出多种计算机算法来模拟黏菌所使用的原始导航系统。  
日本埼玉市一家研究所研究人员青野正秀表示，“最终，我们将能够利用真正的黏菌制造出生物计算机，并且它的信息处理系统将非常接近人类大脑。”根据这种基本原理，科学家们或许真的能够研制出新一代计算机。(彬彬)  

世上一些不起眼的微小生物因其独特的生活方式，往往蕴含着我们人类想象不到的科学行为。近日，日本科学家发现单细胞生物黄色黏菌可能成为设计新一代生物计算机的关键参考，帮助解决电脑处理不了的导航问题。
据英国《每日邮报》12月28日报道，黄色黏菌是一种长寿命的微生物，已经在地球上存活了数亿年的时间，并且已经进化到具有处理危险环境的能力。日本公立函馆未来大学的中垣俊之（Toshiyuki  Nakagaki）教授对它进行研究后发现，这种生物具有某种难以相信的智慧。
研究人员发现，黄色黏菌可以在迷宫一样的线路中，找到通往食物的最直接路径，同时可以记住有危险的区域，避免光等会给它们带来伤害的区域。研究人员认为，这种单细胞生物有信息加工处理的能力，这一点出乎大多数人的意料，因为有些任务连高端计算机和软件都无法完成。
中垣俊之在接受媒体采访时说：“简单生物可以解决某些难题，如果你想了解智慧的精髓，那么从这种简单的生物入手更容易。”
事实上，黄色黏菌并非人们想象中的那么聪明，只不过它对能给其带来伤害的压力反应非常灵敏。借助这种能力，它创建起一个能够标注出存在危险信号的网络，解决了电脑都处理不了的导航难题，该网络创建的原理是研发新一代生物计算机的关键。
如今其他研究人员也认同了这个观点：理解这些黏菌的导航功能，是理解人类智慧的关键。“我对利用黏菌创建生物计算机的研究十分感兴趣，因为黏菌的信息处理系统与人类大脑的信息处理系统十分接近，”日本埼玉县理化学研究所的研究院青野正秀（Masahi  Aono）说。以这种原理为基础，科学家可能研制出全新的生物计算机。
之前，中垣俊之已经证明黏菌具有建立如东京铁路网这样高效运输网络的能力，并且他的这项研究获得了2010年的搞笑诺贝尔奖。

　　计算机与我们的生活太密切了，存储的信息越来越多，运算要求越来越高。目前我们使用的电子计算机，将来还能承担起这项重任吗？英国科学家在生物计算机上的一项研究，为什么会引起广泛关注？未来计算机的发展方向是什么？
　　DNA分子生化反应已能承载计算机指令
　　辽宁日报：近日一则消息引起我们的注意：英国研究人员最近用细菌和基因手段开发出一种可模块化的新型“生物逻辑门”，为研制生物计算机提出了一种新思路。我们查了一下过往的新闻报道，发现生物计算机确实是发达国家重点研究的计算机领域，每取得了一点成果，倍加让媒体等关注。在我国，公众对生物计算机还比较陌生。普通计算机的核心部件是半导体元件，CPU上是具有开、关功能的晶体管，那么生物计算机是用什么做核心部件的，是生物分子吗？
　　许进：生物计算机的核心部件是生物大分子，具体的说是细胞质中的DNA、RNA、蛋白质以及其他化学物质，“计算”的过程依靠这些生物分子的生化反应来完成。
　　辽宁日报：这些DNA等分子有什么特性能承担起“计算”这一重任？
　　许进：现在公众对DNA都已不陌生通过成千上万的碱基的排列组合就构成了DNA分子上多种多样的遗传信息，碱基严格地遵循Watson-Crick互补配对原则，即A与T、G与C互补配对，这是DNA计算机设计中的基本原理。
　　辽宁日报：为什么能进行信息处理，是怎样进行“计算”的？
　　许进：既然生物的DNA碱基的排列组合能承载遗传信息，那么能不能把这个DNA分子从生物体内拿出来（或用单细胞），让其依然进行生化反应，但承载的是计算机的指令信息呢？这就是生物计算机最初的设想，并且一旦利用分子进行计算，其最大的优势可能就是实现海量并行操作。随着生物技术和手段的日益发展，这样的设想在一步步得以实现：在相关的生物酶作用下，通过DNA分子可控的杂交反应过程，使含有输入信息的DNA分子按照科学家所设计的计算规则完成相应的生化反应，从一种基因代码变为另一种基因代码，最后形成的DNA分子是含有输出信息的所求解，实现信息的处理。生物计算机内生物计算的基本过程大致就是这样的。
　　辽宁日报：化学、生物学以及信息科学等多学科的发展为生物计算机研制提供了哪些可能？
　　许进：比如现代有机化学和分子生物学的发展，允许我们对任意DNA序列进行编码设计、合成、修饰和复制等操作，这是最基本的一点。甚至可以利用一条或多条DNA分子形成多维的自组装复杂结构及与其他生物材料一起构建多组分纳米结构。生物芯片让分子反应微小化；同时光技术、微电子技术等的发展，为DNA计算机的检查系统的自动化、运行速度以及生物信号转换成电信号提供了良好的手段，极大地缩短了DNA计算机走向市场的时间。
　　辽宁日报：我们常听到生物计算中“混合、退火、溶解、放大、分离、抽取、连接、标记、检测和阅读”等名词，这些是什么意思？
　　许进：这些是指生化反应中对生物大分子如DNA的各种操作，就相当于电子计算机处理信息时的计算过程，不同的是电子计算机依靠硅芯片和集成电路，而生物计算依靠预先设定好的含有特定信息的生物分子的生化反应，想要得到计算结果就需要进行包括你刚才提到的那些操作。这里特别要说明的是：电子计算机实际上就是一种基本运算，即加法运算，而DNA计算机的基本运算则显得相当丰富，基本上有8种基本运算。
　　“摩尔定律”有极限但生物计算机不受限
　　辽宁日报：报道说英国科学家用细菌做组件，也是用其DNA分子吧？  他们研究的一种  “生物逻辑门”，可以模块化地进行逻辑门之间的叠加，有什么意义或突破？
　　许进：逻辑门是冯·诺依曼型计算机的基础，它是一种对输入信息进行逻辑运算，然后输出信息的装置，通过对不同逻辑门进行各种组合就可搭建出复杂的计算机电路。英国的科学家在DNA分子计算中研制出了“AND（与）门”及“NOT（非）门”，并将两者结合在一起制造出了更复杂的“与非门”。这种生物逻辑门的所作所为与电子逻辑门几乎一样，只不过由于是DNA计算，它意味着不同类型的逻辑门有可能被放在一起，从而开发出更复杂的生物处理器。
　　而从“逻辑门”角度来看，这个工作目前在国内外已经不少，并不是什么大的突破性工作。
　　辽宁日报：英国科学家的这项研究并不十分先进？
　　许进：真正意义上的生物计算机，并不是按照研制“逻辑门”这种思想来研究，若按这种思想，其基本原理还在“如来佛的手心”，即在冯·诺依曼计算机原理框架之内，信息处理还是串行模式，那还不如电子计算机！生物计算机应充分利用其自身的并行型特点进行信息处理。当然，从应用角度看，研究这种逻辑门模型，可以利用它的微小化做一些有用的事情，如在人体内消除癌细胞等。
　　辽宁日报：并行运算的概念如何理解？
　　许进：衡量计算机水平的主要指标是运算速度和存储量。目前无论是电子计算机，还是光子计算机、超级计算机，都是通过串行运算的，运算量远远低于并行运算。而DNA计算机的每一个DNA片段就是一个微型计算工具，可以存储多个数据，因此拥有并行处理数据的能力，能同时进行亿万亿次的计算。如果生物计算机研制成功,它几十小时的运算量可能就相当于目前全球所有计算机运算量的总和。到那时，科学研究中诸如人脑信息存储、宇宙演化、药物研制等所需要的海量计算都不在话下。再想一想现在我们的生活、生产、科学研究有着多大的信息处理量及计算机在各个领域发挥的作用，就能知道生物计算机的巨大作用和意义了。
　　辽宁日报：DNA计算机还有哪些优点让各国如此重视？
　　许进：分子本身就很小，而承载信息的DNA片段只有几纳米，所以，即使在一个液滴的体积中，DNA分子的数目都可以过千个，那么由此制成的芯片，一平方毫米的面积上就可容纳几亿个电路，比目前的集成电路小得多。对比看看现在的电子计算机，根据摩尔定律，计算机速度每隔18个月就提高一倍，这就要求CPU芯片晶体管数越来越多、尺寸必须越来越小，终会达到极限，生物计算机完全解决了这个问题。同时，由于“分子”是有机的，耗能极低，几乎可以忽略，而目前超级计算机每小时的耗能十分巨大。另外，一旦生物反应的芯片出现故障时，还有自我恢复功能，可靠性很强。更让人感兴趣的是生物计算机不仅可以实现体外计算，还可以直接在细胞内进行计算，实现“人机合一”的一种纳米级装置。通过它，未来人们有可能进行基因调控和蛋白表达，对疾病诊疗等方面有着巨大的意义。
　　顺利走出实验室有两大难点需攻克
　　辽宁日报：目前国际上生物计算机的研制情况怎么样？有成型的生物计算机吗？
　　许进：生物计算机的研制时间不长，但进展很快。  1994年,美国加州大学的L.Adleman博士提出了DNA计算机理论，并成功地在DNA溶液的试管中进行了运算实验；2003年美国威斯康星大学的研究人员制造出一台生物计算机，由大约100万亿个人工合成的DNA链状结构组成,能进行一些相对复杂的运算。这部计算机虽然原始,但它使人们看到了希望；2007年我们研究组研制出一种可以求解图信息处理的所谓并行型DNA计算机模型，并求出61个顶点的一个图所有可能的48个解，理论上，其计算能力达到了3的59次方！这是当今生物计算机实验规模最大且搜索能力最强的一种模型，因而受到同行的高度重视，甚至是美国基金委的重视。
　　事实上，目前在实验室可以制造简单的、进行单一运算的DNA计算机，也就是说有用各种技术办法研制的DNA计算机模型，但离实用的DNA计算机市场化可能还有一段距离。尽管如此，即使在实验室，DNA计算机的实用性可能距离我们已经很近了。
　　辽宁日报：主要的难点在哪？
　　许进：目前DNA计算机市场化的主要难点主要有两个：一是生物操作技术的实现上还不够成熟。如从海量的DNA分子池中，将我们所需要的DNA分子一个不剩的提炼出来等还很困难；二是在检测系统的研制上，即如何快速准确地从生化反应池里将我们所需要的解提炼处理。虽然目前已有诸如各种电泳技术、PCR扩增、荧光标记、生物酶方法、生物素标记、层析技术等方法，甚至电镜等技术，但还很不完善，这成为DNA计算机需要攻克的难关之一。
　　辽宁日报：我国研发情况怎么样？
　　许进：我国也十分重视生物计算机的研制，许多科研单位取得了一些优异的成果，引起了国际上的关注。随着这个领域国际竞争的激烈，我国应抓紧这个机遇，注重人才培养，进一步扩大生物计算机的研究规模。
　　本报记者／刘洪宇
　　专家档案
　　许进  北京大学教授、博士生导师，理学、工学双博士；兼任中国电路与系统学会副主任，中国电子学会图论与系统优化专业委员会理事长等职。发表学术论文300余篇，目前重点研究生物计算机。