2021 Fiscal Year Research-status Report
複雑ネットワーク上の情報の流れの理論構築と生物の環境適応機構の解明
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19K03663
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
森 史 九州大学, 芸術工学研究院, 助教 (90525891)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岡田 崇 国立研究開発法人理化学研究所, 数理創造プログラム, 上級研究員 (10741043)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 複雑ネットワーク / 数理生物学 / 情報流 / ブーリアンネットワーク / 環境適応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
遺伝子制御系やニューラルネットワーク系などの生物ネットワークが、効率的な情報伝達をどのように実現しているのかという問題は、生物学のみならず物理学としても非常に興味深い。近年、情報処理を担う生体内の様々なネットワークが網羅的にデータベース化されつつあるが、本研究は、理論的アプローチにより、環境に適した情報出力を可能にしているネットワークの特徴を明らかにするために、複雑ネットワーク上の情報の流れに対する理論を構築することを目的としている。これらの系の記述には、各素子がONとOFFの２状態を取るブーリアンネットワークモデルが適しているので、ブーリアンネットワーク上の移動エントロピー（Transfer Entropy）に対する解析的アプローチが存在すれば、情報伝達に有利なネットワークシステムの特徴が明らかになると考えられる。しかし、ブーリアンネットワークの状態空間は極めて広大であるため、従来の一般的な方法で移動エントロピーを解析的に求めるのは非常に困難であった。また、形式的な行列計算では、生成される情報流と背後にあるグラフ構造との関係性はこれまで不透明であった。
本年度、我々は、確率的ブーリアンネットワークにおける移動エントロピーをグラフに基づいて摂動展開する理論の拡張に成功した。具体的には、系に入力されるシグナルの性質の一般化を可能にした。これにより、移動エントロピーがシグナルの性質にどのように依存するのかが明らかになった。これを元にして、ネットワークモチーフの情報転送の特徴を明らかにした。特に、ネットワークモチーフの特徴として従来から知られているフィルター機能との関係性が明確になった。これらのことは、まもなく論文として投稿予定である。
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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
前年度までの研究過程においては、任意のネットワークトポロジーで成立する理論を完成させるため、シグナルの性質を単純化していた。しかし、ひとたび完成された理論を今一度見つめ直すと、シグナルの性質を一般化できることに気が付いた。これにより、理論が大きく進展した。このようなことから、非常に順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
理論の拡張により、より具体的な問題への適用が可能となった。具体的なネットワークに適用すれば、個別のネットワーク構造が持つ情報転送特性を明らかにすることができる。理論を実際の生物系へ応用し、生物系の情報処理メカニズムに迫っていきたい。
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| Causes of Carryover |
理論の拡張に成功し、その部分だけで論文にまとめる方向性もあり得たが、いくつかの具体例に適用した方が、理論の効力を示すことができるため、論文の投稿を先延ばしにした。これにより、次年度使用額が生じた。論文投稿に関わる経費と、論文出版後の成果発表のための学会出席の旅費に使用する予定である。
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