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シグナル伝達系の情報熱力学

研究課題

研究課題/領域番号 16K17780
研究種目

若手研究(B)

配分区分基金
研究分野 生物物理・化学物理・ソフトマターの物理
研究機関東京大学 (2018)
北海道大学 (2017)
東京工業大学 (2016)

研究代表者

伊藤 創祐  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 講師 (00771221)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2019-03-31
研究課題ステータス 完了 (2018年度)
配分額 *注記
3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
2018年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2017年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2016年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
キーワード情報熱力学 / シグナル伝達 / 情報幾何 / 不確定性関係 / オンサーガ相反関係 / 移動エントロピー / 熱力学第二法則 / 非平衡統計力学 / 酵素反応 / 量子速度限界 / 熱力学 / 大腸菌走化性 / Markovネットワーク / Onsager相反関係 / 生物物理
研究成果の概要

本研究において、情報と熱力学の間の融合理論である情報熱力学を進展させ、シグナル伝達などの生体情報処理の基礎理論として発展させることができた。主に、情報処理を含んだ形での流れと力の関係であるオンサーガ相反関係の一般化や、因果推定の熱力学、また情報幾何と呼ばれる情報理論の微分幾何形式と熱力学の対応関係を構築することで、熱コストと速度の間のトレードオフ関係としての熱力学的な不確定性関係を導出することに成功した。これらの結果は、生体適応センサーや一般的な酵素反応に応用が可能であり、生体内のシグナル伝達系の定量的な理解に役立つと考えられる。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究成果は、情報理論と熱力学の融合理論である情報熱力学を発展させ、生体内のシグナル伝達の定量的な理解に役立てるための理論的な基盤を作ることである。この研究の発展によって、生体内で伝達される情報について熱力学的なコストとの関係から定量的に理解が可能となる。この研究の方向性は、低エネルギーコストで効率的な生体システムの理解に役立ち、工学的な実装の礎になると考えている。

報告書

(4件)
  • 2018 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2017 実施状況報告書
  • 2016 実施状況報告書
  • 研究成果

    (41件)

すべて 2019 2018 2017 2016 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (10件) (うち国際共著 1件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 3件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (24件) (うち国際学会 8件、 招待講演 11件) 図書 (2件) 備考 (3件)

  • [国際共同研究] AMOLF(オランダ)

    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [国際共同研究] FOM Institute AMOLF(オランダ)

    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Stochastic thermodynamic interpretation of information geometry2018

    • 著者名/発表者名
      Sosuke Ito
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 121 号: 3 ページ: 030605-030605

    • DOI

      10.1103/physrevlett.121.030605

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Stochastic time-evolution, information geometry and the Cramer-Rao Bound2018

    • 著者名/発表者名
      Sosuke Ito and Andreas Dechant
    • 雑誌名

      arXiv (preprint)

      巻: 1810 ページ: 06832-06832

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際共著
  • [雑誌論文] Unified framework for the second law of thermodynamics and information thermodynamics based on information geometry2018

    • 著者名/発表者名
      Sosuke Ito
    • 雑誌名

      arXiv (preprint)

      巻: 1810 ページ: 09545-09545

    • NAID

      130008147772

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [雑誌論文] Stochastic thermodynamic interpretation of information geometry2017

    • 著者名/発表者名
      Sosuke Ito
    • 雑誌名

      arXiv (preprint)

      巻: 1712 ページ: 04311-04311

    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [雑誌論文] < 講義ノート> ネットワーク上の情報熱力学とその生体情報処理への応用 (第 62 回物性若手夏の学校 集中ゼミ)2017

    • 著者名/発表者名
      伊藤 創祐
    • 雑誌名

      物性研究

      巻: 6. 4

    • NAID

      120006384206

    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [雑誌論文] 最近の研究から ネットワーク上の情報熱力学とその生体情報処理への応用2017

    • 著者名/発表者名
      伊藤創祐. 沙川貴大
    • 雑誌名

      日本物理学会誌

      巻: 72(9), ページ: 658-662

    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] ネットワーク上の情報熱力学とその生体情報処理への応用2017

    • 著者名/発表者名
      伊藤創祐, 沙川貴大
    • 雑誌名

      日本物理学会誌

      巻: 印刷中

    • NAID

      130007418934

    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Linear irreversible thermodynamics and Onsager reciprocity for information-driven engines2016

    • 著者名/発表者名
      Shumpei Yamamoto, Sosuke Ito, Naoto Shiraishi, and Takahiro Sagawa
    • 雑誌名

      Phyical Review E

      巻: 94 号: 5 ページ: 052121-052121

    • DOI

      10.1103/physreve.94.052121

    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Backward transfer entropy: Informational measure for detecting hidden Markov models and its interpretations in thermodynamics, gambling and causality2016

    • 著者名/発表者名
      Sosuke Ito
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 6 号: 1 ページ: 36831-36831

    • DOI

      10.1038/srep36831

    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 適応センサー中のマクスウェルのデーモン2016

    • 著者名/発表者名
      伊藤創祐
    • 雑誌名

      生物物理

      巻: 56 ページ: 232-233

    • NAID

      130005165629

    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Thermodynamic speed limits for biochemical reaction and its information geometric interpretation2019

    • 著者名/発表者名
      Sosuke Ito
    • 学会等名
      Winter Q-bio
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Stochastic thermodynamic interpretation of information geometry2018

    • 著者名/発表者名
      Sosuke Ito
    • 学会等名
      Big data analysis from a dynamical systems point of view
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Stochastic thermodynamics and information geometry2018

    • 著者名/発表者名
      Sosuke Ito
    • 学会等名
      APEF 2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Information geometry and thermodynamic uncertainty for biochemical process2018

    • 著者名/発表者名
      Sosuke Ito
    • 学会等名
      The 56th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 情報幾何とマルコフ過程の熱力学2018

    • 著者名/発表者名
      伊藤創祐
    • 学会等名
      2019年電子情報通信学会総合大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 情報幾何の確率的熱力学による解釈と熱力学不確定性関係2018

    • 著者名/発表者名
      伊藤創祐
    • 学会等名
      日本物理学会 2018年 秋季大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 熱力学第二法則と情報熱力学第二法則の情報幾何による統一的フレームワーク2018

    • 著者名/発表者名
      伊藤創祐
    • 学会等名
      日本物理学会 第74回年次大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Stochastic thermodynamics of information2018

    • 著者名/発表者名
      Sosuke Ito
    • 学会等名
      Frontiers of complex systems science: soft matter, biophysics, and statistical physics
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Stochastic Thermodynamic Interpretation of Information Geometry2018

    • 著者名/発表者名
      伊藤創祐
    • 学会等名
      若手研究会「統計物理学とその周辺」
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 情報熱力学の進展:細胞内ネットワーク及び情報幾何への拡張2018

    • 著者名/発表者名
      伊藤創祐
    • 学会等名
      東北大学数理科学連携研究センター・ワークショップ 細胞内ネットワークのダイナミクス~生物学と数理科学の協働~
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 情報理論と熱力学2018

    • 著者名/発表者名
      伊藤 創祐
    • 学会等名
      北海道大学電子科学研究所 平成29年度 研究交流会
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [学会発表] 情報熱力学の展開と生体系への応用2017

    • 著者名/発表者名
      伊藤創祐
    • 学会等名
      日本物理学会 2017年 春季大会 若手奨励賞受賞記念講演
    • 発表場所
      大阪大学
    • 年月日
      2017-03-17
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 情報熱力学とギャンブルの情報理論のアナロジー2017

    • 著者名/発表者名
      伊藤創祐
    • 学会等名
      日本物理学会 2017年 春季大会
    • 発表場所
      大阪大学
    • 年月日
      2017-03-17
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
  • [学会発表] Thermodynamics of information on biochemical signaling networks2017

    • 著者名/発表者名
      Sosuke Ito
    • 学会等名
      Deciphering complex energy landscape and kinetic network from single molecules to cells: a new challenge to make theories meet experiments
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 生化学系の情報熱力学2017

    • 著者名/発表者名
      伊藤創祐
    • 学会等名
      第60回自動制御連合講演会
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Langevin系における熱力学, 情報熱力学2017

    • 著者名/発表者名
      伊藤創祐
    • 学会等名
      Perspectives of Nonlinear Phenomena in Random and Non-autonomous Dynamics
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 生化学時計の情報熱力学2017

    • 著者名/発表者名
      伊藤創祐
    • 学会等名
      研究会「理論と実験」2017
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [学会発表] 生化学時計の情報熱力学2017

    • 著者名/発表者名
      Sosuke Ito and Pieter rein ten Wolde
    • 学会等名
      日本物理学会2017年秋季大会
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [学会発表] Information thermodynamic study of biochemical clock2017

    • 著者名/発表者名
      Sosuke Ito and Pieter rein ten Wolde
    • 学会等名
      第55回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [学会発表] 生体適応センサーの情報熱力学2017

    • 著者名/発表者名
      伊藤創祐
    • 学会等名
      日本神経回路学会 時限研究会2017
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ネットワーク上の情報熱力学と生体シグナル伝達への応用2017

    • 著者名/発表者名
      伊藤創祐
    • 学会等名
      第62回物性若手夏の学校
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Thermodynamics and information geometry2017

    • 著者名/発表者名
      Sosuke Ito
    • 学会等名
      The 18th RIES-Hokudai International Symposium
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Maxwell's demon in biochemical signal transduction with feedback loop2016

    • 著者名/発表者名
      Sosuke Ito and Takahiro Sagawaq
    • 学会等名
      DutchBiophysics 2016
    • 発表場所
      Veldhoven, Netherlands
    • 年月日
      2016-10-03
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Backward transfer entropy: Informational measure of non hidden-Markov property2016

    • 著者名/発表者名
      Sosuke Ito
    • 学会等名
      Statphys26
    • 発表場所
      Lyon, France
    • 年月日
      2016-06-18
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [図書] information thermodynamics on causal networks and its application to biochemical signal transduction2016

    • 著者名/発表者名
      Sosuke Ito
    • 総ページ数
      133
    • 出版者
      Springer
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
  • [図書] Chapter 3 "Information flow and entropy production on Bayesian networks" in "Mathematical Foundations and Applications of Graph Entropy"2016

    • 著者名/発表者名
      Sosuke Ito and Takahiro Sagawa (Edited by Matthias Dehmer, Frank Emmert-Streib, Zengqiang Chen, Xueliang Li and Yongtang Shi)
    • 総ページ数
      296
    • 出版者
      Wiely-VCH
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
  • [備考] Prof. Pieter rein ten Wolde

    • URL

      https://amolf.nl/people/pieter-rein-ten-wolde

    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
  • [備考] Prof. Tom Shimizu

    • URL

      https://amolf.nl/people/tom-shimizu

    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
  • [備考] Dr. Keita Kamino

    • URL

      https://amolf.nl/people/keita-kamino

    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2016-04-21   更新日: 2020-03-30  

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