2022 Fiscal Year Annual Research Report
Information Physics of Biological Adaptations
| Project Area | Information physics of living matters |
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| Project/Area Number |
19H05799
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
小林 徹也 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (90513359)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 適応現象 / 定量生物学 / 理論生物学 / 強化学習 / 学習理論 / 化学熱力学 / 非平衡熱力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
【1. 反応の機能とその情報熱力学】 前年度に展開のあった平衡の化学熱力学系のヘッセ幾何学構造に関する論文3報がPhys Rev Resに採択された。また、前年度から取り組んでいた体積成長と共役した自己触媒反応を扱う自己複製過程化学熱力学の理論を完成させその内容もPhys Rev Resに採択された。加えて、平衡熱力学系のヘッセ幾何学理論に一般化勾配流の理論を統合することで非平衡系に拡張することに成功した。この内容についてもPhys Rev Resに採択された。そしてこの理論と化学反応系における代数ホモロジーの理論との関係性や統合可能性などを精査した。
【2. 1細胞の適応・学習過程の情報物理学】 複雑な形状変化を伴うアメーバ状細胞などによる環境分子感知の情報処理理論の拡張を行った。情報量を近似する方法なども用いたが、形状変化によって得られる環境情報のゲインは限定的であることがわかってきた。加えて大腸菌の最適感知・最適制御モデルに対して学習的な側面を加えた拡張も検討したが、適切な学習則の導出に困難があることが判明した。
【3. 多細胞集団現象の情報物理学】 前年度構築した細胞の持つメモリーなどのリソース有限性を陽に取り入れた最適制御理論を完成させ、論文がEntropyに採択された。またこの理論の多エージェントの問題などへ拡張の検討を進めた。加えて、【1反応の機能とその情報熱力学】で見出した理論構造が細胞集団動態の解析にも応用できることを活用し、多細胞集団の性質を一般化勾配流の観点から定式化する理論の開発を進めた。特に具体的な対象としてT細胞の免疫応答動態などを扱いその有効性を検証した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
平衡・非平衡の化学熱力学を捉える理論的な基盤について、当初の想定を上回る体系的でかつ革新的な理論を構築することができた。
この理論が多細胞集団現象へ応用できることも見出し、研究の展開が大きく広がった。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの計画通り研究をすすめつつ、平衡・非平衡の化学熱力学理論を総括するとともに、多細胞集団現象への応用を進める。
またリソース制約に関する新しい制御理論についても理論の体系化を進める。
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