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2023 Fiscal Year Annual Research Report

Information Physics of Biological Adaptations

Planned Research

Project AreaInformation physics of living matters
Project/Area Number 19H05799
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

小林 徹也  東京大学, 生産技術研究所, 教授 (90513359)

Project Period (FY) 2019-06-28 – 2024-03-31
Keywords適応現象 / 定量生物学 / 理論生物学 / 強化学習 / 最適制御 / 化学熱力学 / 非平衡熱力学
Outline of Annual Research Achievements

【1. 反応の機能とその情報熱力学】 これまで開発した平衡・非平衡反応系のヘッセ幾何学構造について、その内容を統括した。またこの理論ベースに、反応系の定常状態に対するパラメータ摂動応答を幾何学的に解析する手法を開発し、合わせて確率熱力学におけるゆらぎ定理との関係も解析した。さらにこの理論的な枠組みを化学反応系の制御問題に応用する方向性を検討した。
【2. 1細胞の適応・学習過程の情報物理学】 これまでに開発してき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、具体的な生体の分子感知問題などに応用し、情報処理や制御に活用可能なリソース量や細胞内の確率性の強度に依存して、最適な制御が不連続な転移を示しうることを発見した。
【3. 多細胞集団現象の情報物理学】 これまで1細胞や1エージェントに対して定式化されていたリソース制約最適制御理論を、多細胞現象に応用できるように複数エージェントの問題に拡張した。論文がEntropyに採択された。また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を完成させ、T細胞の免疫応答動態を具体例としてその有用性を示した論文がPhys Rev Resに採択された。
細胞集団の情報処理と進化を統合した理論について、その内容を総括した論文が採択された。
上記に加えてこれまでの情報物理学での活動を包括し、国際会議「Information physics in living systems」などを開催して、情報物理学の今後の展開を議論した。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (44 results)

All 2024 2023

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 4 results) Presentation (39 results) (of which Int'l Joint Research: 17 results,  Invited: 4 results) Funded Workshop (1 results)

  • [Journal Article] Decentralized Stochastic Control with Finite-Dimensional Memories: A Memory Limitation Approach2023

    • Author(s)
      Tottori Takehiro、Kobayashi Tetsuya J.
    • Journal Title

      Entropy

      Volume: 25 Pages: 791~791

    • DOI

      10.3390/e25050791

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Cellular gradient flow structure linking single-cell-level rules and population-level dynamics2023

    • Author(s)
      Horiguchi Shuhei A.、Kobayashi Tetsuya J.
    • Journal Title

      Physical Review Research

      Volume: 5 Pages: L022052

    • DOI

      10.1103/physrevresearch.5.l022052

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Population dynamics models for various forms of adaptation2023

    • Author(s)
      Nakashima So、J. Kobayashi Tetsuya
    • Journal Title

      Biophysics and Physicobiology

      Volume: 20 Pages: e200034

    • DOI

      10.2142/biophysico.bppb-v20.0034

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Information geometry of dynamics on graphs and hypergraphs2023

    • Author(s)
      Kobayashi Tetsuya J.、Loutchko Dimitri、Kamimura Atsushi、Horiguchi Shuhei A.、Sughiyama Yuki
    • Journal Title

      Information Geometry

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1007/s41884-023-00125-w

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 計算資源制限を伴う最適推定制御とその生体情報処理への応用:記憶の相転移2024

    • Author(s)
      鳥取 岳広, 小林 徹也
    • Organizer
      定量生物学の会 第十一回年会
  • [Presentation] 細胞増殖を統合した分化軌道推定手法の開発と胸腺細胞のロバスト性解明への応用2024

    • Author(s)
      木下 恭兵, 小林 徹也
    • Organizer
      定量生物学の会 第十一回年会
  • [Presentation] 一般化勾配流による多細胞システムのモデル化2024

    • Author(s)
      堀口 修平, 小林 徹也
    • Organizer
      定量生物学の会 第十一回年会
  • [Presentation] 加藤雅己, 小林徹也2024

    • Author(s)
      環境を通じて情報共有する細胞集団の強化学習的理解
    • Organizer
      定量生物学の会 第十一回年会
  • [Presentation] 歴史から紐解く化学反応論と化学熱力学2024

    • Author(s)
      小林 徹也
    • Organizer
      定量生物学の会 第十一回年会
  • [Presentation] 細胞集団の勾配流によるモデリング2024

    • Author(s)
      堀口 修平, 小林 徹也
    • Organizer
      第8回理論免疫学ワークショップ
  • [Presentation] 環境を通じて情報共有する細胞集団の強化学習的理解2024

    • Author(s)
      加藤雅己, 小林徹也
    • Organizer
      第8回理論免疫学ワークショップ
  • [Presentation] ストレス条件下における髄質胸腺上皮細胞の分化ダイナミクス変化の情報学的解析2024

    • Author(s)
      木下 恭兵, 小林 徹也
    • Organizer
      第8回理論免疫学ワークショップ
  • [Presentation] epiNMF: a Novel Method to Uncover the Influence of Epigenome on Local Mutation Rates2024

    • Author(s)
      Machiko Katori, Hiroyuki Yamasaki, Tetsuya Yamada-Saito, Tetsuya J. Kobayashi, Shoi Shi
    • Organizer
      Gordon Research Seminar, DNA Damage, Mutation and Cancer
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 分散型確率最適制御問題に対する記憶制限アプローチ2023

    • Author(s)
      鳥取 岳広, 小林 徹也
    • Organizer
      第67回システム制御情報学会研究発表講演会
  • [Presentation] Chemical thermodynamics for growing compartments2023

    • Author(s)
      Atsushi Kamimura, Yuki Sughiyama, Tetsuya J. Kobayashi
    • Organizer
      Molecular Origins of Life
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Generalized gradient flow modeling of the cellular population dynamics and a T-cell immune response model2023

    • Author(s)
      Shuhei A. Horiguchi, Tetsuya J. Kobayashi
    • Organizer
      The 8th CIJK Conference on Mathematical and Theoretical Biology
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Optimal Information Processing and Control in Living Systems with limited resources2023

    • Author(s)
      Tetsuya J. Kobayashi
    • Organizer
      STATPHYS28 Satellite Meeting:Statistical Physics and Information-Processing in Living Systems
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Cellular gradient flow structure connects single-cell-level rules and population-level dynamics2023

    • Author(s)
      Shuhei A. Horiguchi, Tetsuya J. Kobayashi
    • Organizer
      STATPHY, Satellite Meeting, Statistical Physics, Information-Processing in Living Systems
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Information Geometry of Equilibrium and Nonequilibrium Chemical Reaction Networks2023

    • Author(s)
      Tetsuya J. Kobayashi, Dimitri Loutchko, Atsushi Kamimura, Yuki Sughiyama
    • Organizer
      28th International Conference on Statistical Physics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] The fate of growing systems under themorynamic and stoichiometric constraints2023

    • Author(s)
      Atsushi Kamimura, Yuki Sughiyama, Tetsuya J. Kobayashi
    • Organizer
      28th International Conference on Statistical Physics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Cellular gradient flow structure connects single-cell-level rules and population-level dynamics2023

    • Author(s)
      Shuhei A. Horiguchi, Tetsuya J. Kobayashi
    • Organizer
      28th International Conference on Statistical Physics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Limits of gradient sensing with a dynamically changing cell shape2023

    • Author(s)
      Kento Nakamura, Tetsuya J. Kobayashi
    • Organizer
      28th International Conference on Statistical Physics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Noise-induced receptor clustering as a functional role of noise for reducing errors in target ligand detection2023

    • Author(s)
      Masashi K. Kajita, Kazuyuki Aihara, Tetsuya J. Kobayashi
    • Organizer
      28th International Conference on Statistical Physics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] The Hessian Geometry of Thermodynamic Uncertainty Relations in Chemical Reaction Networks2023

    • Author(s)
      Dimitri Loutchko, Atsushi Kamimura, Yuki Sughiyama, Tetsuya J. Kobayashi
    • Organizer
      28th International Conference on Statistical Physics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Using and Creating Control Theory for Biological Problems2023

    • Author(s)
      Tetsuya J. Kobayashi
    • Organizer
      10th International Congress on Industrial and Applied Mathematics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Partially Observable Stochastic Control with Memory Limitation and Mean-Field Approach2023

    • Author(s)
      Takehiro Tottori, Tetsuya J. Kobayashi
    • Organizer
      10th International Congress on Industrial and Applied Mathematics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Cellular gradient flow structure connects single-cell-level rules and population-level dynamics2023

    • Author(s)
      Shuhei A. Horiguchi, Tetsuya J. Kobayashi
    • Organizer
      10th International Congress on Industrial and Applied Mathematics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Hessian geometric derivation of macroscopic thermodynamic uncertainty relations (TUR)2023

    • Author(s)
      Dimitri Loutchko, Tetsuya J. Kobayashi
    • Organizer
      10th International Congress on Industrial and Applied Mathematics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Spectral Graph NNによる化学分子表現とその匂い認知予測への応用2023

    • Author(s)
      小林徹也
    • Organizer
      2023年度数理生物学会年会
  • [Presentation] 環境を通じて情報共有する細胞集団の強化学習的理解2023

    • Author(s)
      加藤雅己, 小林徹也
    • Organizer
      2023年度数理生物学会年会
  • [Presentation] ジャンプ過程に対する線形可解な確率最適制御2023

    • Author(s)
      堀口 修平, 小林 徹也
    • Organizer
      2023年度数理生物学会年会
  • [Presentation] 伸長方向を制御する細胞による勾配方向の推定限界2023

    • Author(s)
      中村絢斗, 小林徹也
    • Organizer
      2023年度数理生物学会年会
  • [Presentation] 生物学的制約を考慮した最適推定制御問題における記憶の相転移2023

    • Author(s)
      鳥取 岳広, 小林 徹也
    • Organizer
      日本物理学会2023年秋季大会
  • [Presentation] 細胞を創るための平衡・非平衡化学熱力学2023

    • Author(s)
      小林 徹也, 杉山友規, Dimitri Loutchko, 上村 淳
    • Organizer
      「細胞を創る」研究会16.0
    • Invited
  • [Presentation] 体積成長を考慮した自己複製系の化学熱力学2023

    • Author(s)
      上村淳, 杉山友規, 小林徹也
    • Organizer
      「細胞を創る」研究会16.0
  • [Presentation] Chemical thermodynamics for growing protocells2023

    • Author(s)
      Atsushi Kamimura, Yuki Sughiyama, Tetsuya J. Kobayashi
    • Organizer
      Origins of Life Donostia Meeting
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 小林 徹也2023

    • Author(s)
      生体システムにおける化学情報処理過程の理解
    • Organizer
      CBI2023大会
    • Invited
  • [Presentation] ハイパーグラフ上の非線形一般化勾配流とその情報幾何学構造2023

    • Author(s)
      小林 徹也
    • Organizer
      第26回情報論的学習理論ワークショップ
  • [Presentation] 機械学習ベースの隠れ状態推定手法の比較と生物データへの応用2023

    • Author(s)
      谷本 佑馬, 上村 淳, 小林 徹也
    • Organizer
      第26回情報論的学習理論ワークショップ
  • [Presentation] ゆらいだ生体時系列データから隠れた変動を見出す機械・深層学習手法2023

    • Author(s)
      小林 徹也
    • Organizer
      第96回日本生化学会大会
    • Invited
  • [Presentation] Chemical thermodynamics for growing compartments with stoichiometric constraints2023

    • Author(s)
      Atsushi Kamimura, Yuki Sughiyama, Tetsuya J. Kobayashi
    • Organizer
      日本生物物理学会第61回年次大会
  • [Presentation] グラフNNによる化学分子表現学習とその匂い認知予測への応用2023

    • Author(s)
      小林 徹也, 梦吉, 舟橋 啓
    • Organizer
      日本生物物理学会第61回年次大会
  • [Presentation] Optimality of Biological Information Processing2023

    • Author(s)
      Tetsuya J. Kobayashi
    • Organizer
      Biomedical Mathematics Online Colloquium
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Funded Workshop] Information Physics in Living Systems2024

URL: 

Published: 2024-12-25  

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