Development of a Method for Mathematical Cell Modeling with Consideration of Individual Variability

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K12064
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 嶋吉 隆夫 九州大学, サイバーセキュリティセンター, 学術研究員 (60373510)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 竹田 有加里 福井大学, 学術研究院医学系部門, 助教 (20582159)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 計算生理学 / データ科学 / イオンチャネル数理モデル / ベイズ推論 / MCMC法

Outline of Annual Research Achievements

細胞を構成するタンパク質などに対する生理学実験データには個体差によるばらつきが生じる。分子レベルの生物物理学的現象についての生理学実験データから同定した要素モデルを集約して構築した包括的細胞モデルでは，従来，実験データに含まれる個体差によるばらつきを考慮せずにパラメータ値を点推定しており，細胞レベルのマクロな振る舞いにおける個体差による差異は再現できなかった。
前年度には，細胞を構成する機能タンパクであるイオンチャネルの一種類に対する生理学実験結果である，チャネル開閉間隔のヒストグラムデータを対象として，単一のヒストグラムに対して，ベイズ推論の手法であるMCMC法により，データのパラメータ値分布を推定した。一方，イオンチャネルゲーティングの時間的状態変化を表現する複数状態マルコフ状態遷移モデルについて，そのモデルパラメータを求めるには複数のヒストグラムを用いる必要がある。
そこで令和3年度は，まず，あるモデルパラメータが与えられたときにヒストグラムのデータパラメータを算出する方法を導出した。なお，この算出では，線形代数計算が必要である。次いで，Python言語の確率計算ライブラリであるPyroを用いて，その実装を試みた。しかし実装を進めるうちに，Pyroでの計算には，実装上および計算性能上の大きな問題があることが分かり，Pyroを用いた実装は断念した。その後，C++言語によるMCMC法の実装であるStanを用いて実装する方法を検討している。
MCMC法によるパラメータ推定の実現に遅れが生じているが，分担者の竹田は，並行して，本課題で最終的に必要となる実験データの取得のための生理学実験を実施した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

まず，あるモデルパラメータが与えられたときにヒストグラムのデータパラメータを算出する，線形代数計算を必要とする方法を組み込んだMCMC法によるパラメータ推定について，Python言語の確率計算ライブラリであるPyroを用いて実装を試みたが，実装を進めるうちに，Pyroでの計算には，実装上および計算性能上の大きな問題があることが分かり，結果的にPyroを用いた実装は断念したことにより，遅れが生じている。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度中に実現できなかった，複数ヒストグラムに対する，MCMC法を用いてモデルパラメータを推定する方法について実装し，生理学実験データに対してモデルパラメータの推定を行う。その後は，他の種類のモデルや実験データについても，MCMC法を用いたパラメータ値分布推定方法の研究を進める。
また，分担者の竹田は，これまで同様，要素モデル同定のための分子レベルの生理学実験を進めていき，必要な実験データの収集を行う。
なお，今後も当面は，国際会議等に参加して他の研究者らと本課題についての議論・意見交換を行うことは困難だと予想されるので，生理学的側面よりも数理的側面 を主眼に研究を進めることを考えている。

Causes of Carryover

新型コロナウィルス感染症の世界的流行に伴い，予定していた国内外の学会への参加ができなくなった。また，半導体不足等の影響から，今年度に入手可能な比較的低価格な計算機しか購入できなかった。
今後，国際会議に参加可能な状況になれば参加することを考えているが，研究にも遅れが生じていることから，本課題の期間延長を申請することも検討している。