| Project/Area Number |
20H00123
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 13:Condensed matter physics and related fields
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
金子 邦彦 東京大学, 大学院総合文化研究科, 名誉教授 (30177513)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
栗川 知己 公立はこだて未来大学, システム情報科学部, 准教授 (20741333)
坂田 綾香 統計数理研究所, 数理・推論研究系, 准教授 (80733071)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥22,100,000 (Direct Cost: ¥17,000,000、Indirect Cost: ¥5,100,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000)
Fiscal Year 2020: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
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| Keywords | 頑健性 / 可塑性 / 学習 / 進化 / 次元圧縮 |
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| Outline of Research at the Start |
生命システムは大自由度システムであるがノイズや摂動に対する頑健性を有し、他方外界に適応するため一部の方向では変わりやすい。それを踏まえ、生命システムの主要な変化は高次元状態空間内での少数次元に沿って起こるという「次元縮減仮説」を提唱、これを遺伝子制御系、スピングラス進化モデル、細胞集団生態系で検証し、その成立条件を求める。次に自由度縮減の統計力学理論的定式化を行い、マクロ状態論を構築し、実験結果と照合する。さらに適応進化を学習に置き換えて、次元縮減を神経系に拡張し、神経集団が外部情報を次元圧縮し安定した認知過程を行う機序そして学習しやすさの制約や方向性を解明する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
[I]進化シミュレーションによる次元縮減の検証およびその条件の解明:遺伝子制御ネットワークを異なる条件で進化させ、抗生物質への交差耐性が形成されること、それが進化前の揺らぎで表されることを示した。一方、速い遺伝子発現と遅いエピジェネティック過程の相互影響により、様々な環境への適応ができることを明らかにした。
[II]理論解析:アロステリック制御の進化をスピンモデルを解析し、中間温度領域で、アロステリック制御を示すスピン間相互作用が進化する仕組みを解明した。発現パタンに低次元構造がみられることを明らかにして適切に特徴づけ、この空間上での活性部位の遷移ダイナミクスと進化のメカニズムを理論的に解明した。
[III]細胞―多細胞階層への展開:多細胞生物の細胞分化発生過程の進化シミュレーションにより、その過程が低次元に縮減されていることにより発生過程がロバストになることを見出した。
[IV]神経集団における学習過程:入出力関係の学習モデルの厳密な解析を行って、想起性能の定量的表式を求め、カオスの縁でそれが最適化されることを理論的に明らかにした。またDelayed matching to sample課題などの作業記憶を要する課題を、速い神経活動と遅い神経活動を組み合わせることで簡単な学習則で行えることを示した。また、習得した課題を遂行するスピードを入力強度をかえることでコントロールできることを明らかにした。さらに遅い神経活動と速い神経活動が分化することでベイズ推論機構を持つことを示した。
他にも課題遂行のスピードコントロールは、モデルニューロンのゲインや課題の難易度を変更することでも可能であることを示し、その背後にある共通の機構として、速い神経活動がつくるアトラクタを遅い神経活動が遷移パタンをコントロールする機構があることを見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
Covidの影響で、論文の出版過程に以前より時間がかかるなども続いているが、それ以外ではおよそ予定通りに進捗した。以下各テーマを述べる。
[I] 進化シミュレーションは抗生物質耐性進化の遺伝子制御ネットワークで、次元縮減の意義が明らかになり順調に進んでいる。また、環境条件が悪くなった時に細胞の休眠状態への転移が起こることをシミュレーションで示し、それと次元縮減の破れとの関係を調べつつあり、計画以上の成果が得られている。
[II]スピン系モデルの進化では、最終状態だけでなく状態遷移における次元縮減が明らかになった。これは、タンパク質の動的機能の理解につながる。
[III]多細胞系発生過程では、その発生パスでも次元縮減が重要であることを見出したのは今後につながる成果である。また異なる微生物からなる生態系のモデル化を行って、各細胞の低次元縮減された状態変化が細胞間で相関を示すと多細胞共存の条件、系のロバストネスとの関連を求めているのも大きな進展である。
[IV]厳密に解析できる、分岐による記憶モデルの解析が完成したことにより、神経自発活動の意義が明らかになったのは大きな進展である。また、様々な局面で速い神経活動と遅い活動との相互作用の意義が明らかになったのも大きな進展である。
[V]新しい研究課題として、社会構造の進化モデルの研究を進めて、競覇的贈与のモデルを考え、返礼の利率によって、バンド、部族、首長、王制への転移が起こることを示し、その低次元構造を議論した。これは予想以上の進展で、このような問題での次元縮減の意義につながる一歩である。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度なので、これまでに得られた結果の論文出版に努め、また国際会議での発表も含め、成果の公表に尽力する。
[I]進化シミュレーションによる次元縮減の検証およびその条件の解明：抗生物質への交差耐性の結果については実験との比較も含めて論文として発表する。環境条件が悪くなった時の細胞の休眠状態への転移のシミュレーションについてはそれと次元縮減の破れとの関係も含めて論文発表する。
[II]理論解析：アロステリック制御のスピンモデル進化と次元縮減の結果を論文にまとめて出版する。
[III]細胞―多細胞階層への展開：多細胞生物の細胞分化発生過程の進化シミュレーションに関しては、その低次元縮減、進化生物学で議論されている発生砂時計説との関連を明らかにして論文発表する。
[IV]神経集団における学習過程：入出力関係を埋め込んだ厳密にの解けるモデルの解析結果をまとめて論文発表する。学習速度と神経活動の自発的揺らぎとの関係を定式化し、それにより新規学習パタンと揺らぎの相関と学習速度が比例することを明らかにし、学習しやすさ、揺らぎ、次元縮減の関係を明らかにする。
[V]社会構造の進化モデルの研究を進めて、競覇的贈与のモデルを解析してバンド、部族、首長、王制への転移を贈与頻度の相図で表して論文発表する。また親族構造に関しても相図とスケーリング関係を明らかにし、この論文発表も行う。
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