Studies on analysis and control of attractors for developing biological control theory

• Project/Area Number: 18560443
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Control engineering
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: UCHIDA Kenko Waseda University, 理工学術院, 教授 (80063808)
• Project Period (FY): 2006 – 2008
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2008)
• Budget Amount: ¥2,260,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2008: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2007: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2006: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
• Keywords: 制御理論 / 生物制御 / アトラクター制御

Research Abstract

生物アトラクター研究の第一歩として生命現象の典型的な例である概日リズムというアトラクターに焦点を絞って研究を進めた。
モデルに基づくシミュレーション・解析を行い現象の特性を解明するためには、モデルの低次元化、単純化が望まれる。生物システムの特徴である環境の変化に対する安定性・定常性の維持機能(ロバスト性)を定量化し、その指標に基づくモデルの選択、低次元や単純化の方法を提案した。モデルに基づく解析を進めるためにはモデリングの議論が先行させる必要があるが、生物のような完成されたシステムに対しては、モデリングと解析は分離して行うことは得策ではない。そこでモデリングの検討と平行して周期軌道などのアトラクターの特性を与えている制御メカニズムの検討を進めた。特に制御メカニズムの検討においては、モジュールやシステム全体における制御の目的をアトラクターの安定性やロバスト性を確保することと捉える立場から研究を遂行した。
モデリングの問題としては、生物システムの複雑・大規模・非線形モデルを対象として、機能を確保できる範囲でモデルの簡略化の方法を提案した。具体的には、分子レベルの概日リズムの生化学反応モデルをについて、リズムを維持する範囲(周期アトラクターの軌道安定性を維持する範囲)で、生化学反応ネットワークの相互チャンネルの重要性を評価し、その評価の順位によってモデルを低次元化するという方法である。制御メカニズムについては、概日リズムの温度補償という制御を実現している速度パラメータを推定するアルゴリズムについて検討した。温度補償性は概日リズムのロバスト性とみることも環境適応性と見ることもできる。本研究では、環境温度の変化に応じてパラメータが変化することにより温度補償性が実現されているという仮説に基づいて、温度補償性を実現するパラメータの温度依存性を決定することに成功した。このようにして構成された概日リズムのモデルは実際の環境温度変化に対して同調性も示すことも確認できた。変異体における温度補償を実現するパラメータ推定についても本手法を適用して、実験結果に合うシミュレーションモデルを得ることに成功した。概日リズムに代表される周期アトラクターを内部にもつ人工物の制御アルゴリズムについても検討し、飛行船モデルを例題としてその構成法を提案した。
これまでに明らかにしてきたアトラクターの適応性・ロバスト性を保証している制御メカニズムについて、想定される様々な変動の中での解析と評価を行った。機能実現にとって有利であることを定量化できる評価関数の探索から始め、生物の備わった制御メカニズムはある評価関数に対して最適なものであるはずであるという仮説のもとで、これまで検討してきた制御メカニズムを最適性の観点から特徴付けを行った。特に、生物の重要な細胞機能の一つである概日リズムについて、そのリズムを最適なアトラクターとして、また最悪条件下の最適なアトラクターとして実現している制御メカニズムがあることを示した。

Research Products

• [Journal Article] Aberrant molecular properties shared by familial Parkinson's disease-associated mutant UCH-L1 and carbonyl-modified UCH-L1 (2008)
  • Author(s): T.Kabuta, R.Setsuie, T.Mitsui, A.Kinugawa, M.Sakurai, S.Aoki, K.Uchida, K.Wada
  • Journal Title: Human Molecular Genetics Vol.17, No.10 Pages: 1482-1496
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 制御と生命科学 (2008)
  • Author(s): 山本, 内田, 小原, 銅谷, 木村
  • Journal Title: 計測と制御 Vol.47, No.3 Pages: 237-247
• [Journal Article] 制御と生命科学 (2008)
  • Author(s): 山本, 内田, 小原, 銅谷, 木村
  • Journal Title: 計測と制御 Vol. 47, No. 3 Pages: 237-247
• [Journal Article] Aberrant Molecular Properties shared by Familial Parkinson's Disease-linked Mutant UCH-L1 and Carbonyl-modified UCH-L1 (2008)
  • Author(s): T. Kabuta, K. Uchida, et al.
  • Journal Title: Human Molecular Genetics Vol. 17, No. 10 Pages: 1482-1496
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Evaluation of Circadian Clock Model based on Orbital Stability (2007)
  • Author(s): T.Hinohara, K.Uchida,
  • Journal Title: Proceedings of SICE2007 Pages: 1348-1352
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Parameter Estimation for Temperature Compensation of Circadian Clocks (2007)
  • Author(s): T. Takeuchi, S.Ichikawa, G.Kurosawa, K.Uchida
  • Journal Title: Proceedings of the FOSBE2007 Pages: 153-158
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 細胞制御問題のトピックスI-概日リズムとがん- (2007)
  • Author(s): 内田
  • Journal Title: 計測と制御 Vol.46, No.4 Pages: 325-330
• [Journal Article] A Temperature-Compensated Model for Circadian Rhythms that can be entrained by Temperature Cycles (2007)
  • Author(s): T.Takeuchi, T.Hinohara, G.Kurosawa, K.Uchida
  • Journal Title: Journal of Theoretical Biology No.246 Pages: 195-204
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Temperature-Compensated Model for Circadian Rhythms that can be entrained by Temperature Cycles (2007)
  • Author(s): T.Takeuchi, T.Hirlohara, G.Kurosawa, K.Uchida
  • Journal Title: Journal of Theoretical Biology 246 Pages: 195-204
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 細胞制御問題のトピックス1-概日リズムとがん- (2007)
  • Author(s): 内田
  • Journal Title: 計測と制御 46-4 Pages: 325-330
• [Journal Article] Parameter Estimation for Temperature Compensation of Circadian Clocks (2007)
  • Author(s): T.Takeuchi, S.Ichikawa, G.Kurosawa, K.Uchida
  • Journal Title: Proceedings of the FOSBE2007 Pages: 153-158
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Evaluation of Circadian Clock Model based on Orbital Stability (2007)
  • Author(s): T.Hinohara, K.Uchida
  • Journal Title: Proceedings of SICE2007 Pages: 1348-1352
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 軌道安定解析を用いた概日リズムモデルの評価 (2007)
  • Author(s): 日野原隆道, 内田健康
  • Journal Title: 第7回計測自動制御学会制御部門大会資料 (CD-ROM) Pages: 4-4
• [Journal Article] On Robust Stability and Sensitivity of Circadian Rhythms (2006)
  • Author(s): K.Ogwa, N.Takekawa, K.Uchida, S.Shibata
  • Journal Title: Asian Journal of Control Vol.8, No.3 Pages: 281-289
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] control Theoretic Views on Circadian Rhythms (2006)
  • Author(s): T.Takeuchi, T.Hinohara, K.Uchida, S.Shibata
  • Journal Title: Proc. of the 2006 IEEE International Conference on Control Applications Pages: 1740-1745
• [Journal Article] 温度変動に関する周期感度最小化に基づく概日リズムのモデル (2006)
  • Author(s): 竹内努, 日野原隆道, 内田健康
  • Journal Title: 第6回計測自動制御学会制御部門大会資料 Pages: 441-444
• [Journal Article] 概日時計における同調メカニズムと周期回復の可能性 (2006)
  • Author(s): 内田健康, 竹内努, 日野原隆道
  • Journal Title: 第6回計測自動制御学会制御部門大会資料 Pages: 445-448
• [Journal Article] Control Theoretic Views on Circadian Rhythms
  • Author(s): T.Takeuchi, T.Hinohara, K.Uchida, S.Shibata
  • Journal Title: Proc. of the 2006 IEEE International Conference on Control Applications, 2006 Pages: 1740-1745
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 概日リズムのロバスト温度保障モデル (2008)
  • Author(s): 竹内, 市川, 内田
  • Organizer: 計測自動制御学会
  • Place of Presentation: 第8回制御部門大会
  • Year and Date: 2008-03-07
• [Presentation] ネットワークを介した離散時間システムの出力フィードバックゲインスケジューリング制御 (2008)
  • Author(s): 田井, 内田
  • Organizer: 計測自動制御学会
  • Place of Presentation: 第8回制御部門大会
  • Year and Date: 2008-03-06
• [Presentation] UCH-L1による細胞増殖促進 (2008)
  • Author(s): 三井, 株田(智), 株田(千), 内田, 和田
  • Organizer: 第31回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 生物システムにおけるマルチレベル統合モデリングの課題 (2008)
  • Author(s): 内田
  • Organizer: 第51回自動制御連合講演会
• [Presentation] 概日リズムの温度補償モデルに対する分子ゆらぎを考慮した確立シミュレーション (2008)
  • Author(s): 市川, 伊藤, 内田
  • Organizer: 第51回自動制御連合講演会
• [Presentation] 細胞の機能解析に向けた制御の視点 (2008)
  • Author(s): 内田
  • Organizer: 第52回システム制御情報学会研究発表講演会
• [Presentation] 概日リズムのロバスト温度補償モデル (2008)
  • Author(s): 竹内, 市川, 内田
  • Organizer: 計測自動制御学会第8回制御部門大会
• [Presentation] ネットワークを介した離散時間システムの出力フィードバックゲインスケジューリング (2008)
  • Author(s): 田井, 内田
  • Organizer: 計測自動制御学会第8回制御部門大会
• [Presentation] 概日リズムの温度補償モデルに対する分子ゆらぎを考慮した確率シミュレーション (2008)
  • Author(s): 市川, 伊藤, 内田
  • Organizer: 第51回自動制御連合講演会
  • Place of Presentation: 山形大学
• [Presentation] 軌道安定解析を用いた概日リズムモデルの評価 (2007)
  • Author(s): 日野原, 内田
  • Organizer: 第7回計測自動制御学会制御部門大会(CD-ROM 4pp)
• [Presentation] 概日時計における同調メカニズムと周期回復の可能性 (2006)
  • Author(s): 内田, 竹内, 日野原
  • Organizer: 第6回計測自動制御学会制御部門大会
  • Place of Presentation: 445-448
• [Presentation] 温度変動に関する周期感度最小化に基づく概日リズムのモデル (2006)
  • Author(s): 竹内, 日野原, 内田
  • Organizer: 第6回計測自動制御学会制御部門大会