適応過程の情報物理学的理解

2022 年度 実績報告書

• 研究領域: 情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理
• 研究課題/領域番号: 19H05799
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 小林 徹也 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (90513359)
• 研究期間 (年度): 2019-06-28 – 2024-03-31
• キーワード: 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

研究実績の概要

【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。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

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。

今後の研究の推進方策

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。

研究成果

• [雑誌論文] Forward-Backward Sweep Method for the System of HJB-FP Equations in Memory-Limited Partially Observable Stochastic Control (2023)
  • 著者名/発表者名: Tottori Takehiro、Kobayashi Tetsuya J.
  • 雑誌名: Entropy 巻: 25 ページ: 208～208
  • DOI: 10.3390/e25020208
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Asynchronous division at 4?8-cell stage of preimplantation embryos affects live birth through ICM/TE differentiation (2022)
  • 著者名/発表者名: Mashiko Daisuke、Ikeda Zenki、Tokoro Mikiko、Hatano Yu、Yao Tatsuma、Kobayashi Tetsuya J.、Fukunaga Noritaka、Asada Yoshimasa、Yamagata Kazuo
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 ページ: 9411-9411
  • DOI: 10.1038/s41598-022-13646-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Machine Learning Approaches to TCR Repertoire Analysis (2022)
  • 著者名/発表者名: Katayama Yotaro、Yokota Ryo、Akiyama Taishin、Kobayashi Tetsuya J.
  • 雑誌名: Frontiers in Immunology 巻: 13 ページ: -
  • DOI: 10.3389/fimmu.2022.858057
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Comparative Study of Repertoire Classification Methods Reveals Data Efficiency of k-mer Feature Extraction (2022)
  • 著者名/発表者名: Katayama Yotaro、Kobayashi Tetsuya J.
  • 雑誌名: Frontiers in Immunology 巻: 13 ページ: -
  • DOI: 10.3389/fimmu.2022.797640
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hessian geometric structure of chemical thermodynamic systems with stoichiometric constraints (2022)
  • 著者名/発表者名: Sughiyama Yuki、Loutchko Dimitri、Kamimura Atsushi、Kobayashi Tetsuya J.
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 4 ページ: 033065
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.4.033065
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Kinetic derivation of the Hessian geometric structure in chemical reaction networks (2022)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Tetsuya J.、Loutchko Dimitri、Kamimura Atsushi、Sughiyama Yuki
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 4 ページ: 033066
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.4.033066
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Chemical thermodynamics for growing systems (2022)
  • 著者名/発表者名: Sughiyama Yuki、Kamimura Atsushi、Loutchko Dimitri、Kobayashi Tetsuya J.
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 4 ページ: 033191
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.4.033191
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hessian geometry of nonequilibrium chemical reaction networks and entropy production decompositions (2022)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Tetsuya J.、Loutchko Dimitri、Kamimura Atsushi、Sughiyama Yuki
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 4 ページ: 033208
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.4.033208
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Riemannian geometry of optimal driving and thermodynamic length and its application to chemical reaction networks (2022)
  • 著者名/発表者名: Loutchko Dimitri、Sughiyama Yuki、Kobayashi Tetsuya J.
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 4 ページ: 043049
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.4.043049
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] An explainable deep learning-based algorithm with an attention mechanism for predicting the live birth potential of mouse embryos (2022)
  • 著者名/発表者名: Tokuoka Yuta、Yamada Takahiro G.、Mashiko Daisuke、Ikeda Zenki、Kobayashi Tetsuya J.、Yamagata Kazuo、Funahashi Akira
  • 雑誌名: Artificial Intelligence in Medicine 巻: 134 ページ: 102432～102432
  • DOI: 10.1016/j.artmed.2022.102432
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Memory-Limited Partially Observable Stochastic Control and Its Mean-Field Control Approach (2022)
  • 著者名/発表者名: Tottori Takehiro、Kobayashi Tetsuya J.
  • 雑誌名: Entropy 巻: 24 ページ: 1599～1599
  • DOI: 10.3390/e24111599
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 化学反応システムの熱力学とその応用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小林徹也
  • 学会等名: 定量生物学の会 第十回年会
• [学会発表] リソース制約部分観測最適制御理論：生体情報処理の理解にむけた自由エネルギー原理とは違うルート (2023)
  • 著者名/発表者名: 小林徹也
  • 学会等名: 「あいまい脳」 班会議
  • 招待講演
• [学会発表] 観測と記憶が制限された確率最適制御問題の解法：確率空間上のポントリャーギンの最小原理と前向き後向きスイープ法 (2023)
  • 著者名/発表者名: 鳥取岳広, 小林徹也
  • 学会等名: 計測自動制御学会第10回制御部門マルチシンポジウム
• [学会発表] Uncovering the Influence of Epigenetics on Local Mutation Rates through a Comprehensive Analysis of Epigenomic and Genomic Data (2023)
  • 著者名/発表者名: Machiko Katori, Tetsuya Yamada, Tetsuya J. Kobayashi, Shoi Shi
  • 学会等名: Probabilistic Modeling in Genomics 2023
  • 国際学会
• [学会発表] グラフニューラルネットワークによる分子表現と匂い認知の予測への応用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小林徹也
  • 学会等名: 第7回理論免疫学ワークショップ
• [学会発表] 胸腺上皮細胞のシングルセル解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 木下 恭兵, 小林 徹也
  • 学会等名: 第7回理論免疫学ワークショップ
• [学会発表] 深層学習によるTCR-pMHC結合予測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 堅山 耀太郎, 小林 徹也
  • 学会等名: 第7回理論免疫学ワークショップ
• [学会発表] 細胞集団動態の勾配流によるモデリング (2023)
  • 著者名/発表者名: 堀口修平, 小林徹也
  • 学会等名: 第７回理論免疫学ワークショップ
• [学会発表] 細胞集団の勾配流と1細胞動態の法則 (2022)
  • 著者名/発表者名: 堀口修平, 小林徹也
  • 学会等名: 2022年度数理生物学会年会
• [学会発表] Hessian Geometric Structure of Equilibrium and Nonequilibrium Chemical Reaction Newtworks (2022)
  • 著者名/発表者名: 小林徹也
  • 学会等名: 理研 iTEMSセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] グラフ・ハイパーグラフ上のダイナミクスの情報幾何学 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小林徹也
  • 学会等名: JST数学関連3領域連携WS「情報科学と拓く新しい数理科学」
  • 招待講演
• [学会発表] 記憶が制限された部分観測確率制御 (2022)
  • 著者名/発表者名: 鳥取岳広, 小林徹也
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] Optimal information processing and motor control of run-and-tumble chemotaxis under stochastic fluctuation (2022)
  • 著者名/発表者名: Kento Nakamura, Tetsuya J. Kobayashi
  • 学会等名: 12th European Conference on Mathematical and Theoretical Biology (ECMTB)
  • 国際学会
• [学会発表] Gradient flow of the heterogeneous cellular population and a T-cell immune response model. (2022)
  • 著者名/発表者名: Shuhei A. Horiguchi, Tetsuya J. Kobayashi
  • 学会等名: 12th European Conference on Mathematical and Theoretical Biology (ECMTB)
  • 国際学会
• [学会発表] Chemical thermodynamics for growing systems (2022)
  • 著者名/発表者名: 杉山友規, 上村敦・LoutchkoDimitri, 小林徹也
  • 学会等名: RIMS共同研究集会「ランダム力学系・非自励力学系研究の展望：理論と応用」
• [学会発表] A general approach to chemical thermodynamics and constraints for growing systems (2022)
  • 著者名/発表者名: 杉山友規, 上村淳, Dimitri Loutchko, 小林徹也
  • 学会等名: 日本生物物理学会第60回年次大会
• [学会発表] Tetsuya J. Kobayashi (2022)
  • 著者名/発表者名: Chemical Thermodynamics of Growing Systems
  • 学会等名: ICTP-KIAS School on Statistical Physics for Life Sciences
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 記憶が制限された部分観測確率制御に対する平均場制御アプローチ (2022)
  • 著者名/発表者名: 鳥取岳広, 小林徹也
  • 学会等名: 第65回自動制御連合講演会
• [学会発表] 細胞集団動態と１細胞動態の一般化勾配流によるモデリング (2022)
  • 著者名/発表者名: 堀口修平, 小林徹也
  • 学会等名: ソフトバイオ研究会2022
• [学会発表] T細胞系の定量生物学：発生からレパトアまで (2022)
  • 著者名/発表者名: 小林徹也
  • 学会等名: 第2回ASHBi 数理ヒト生物学研究会 (MathHuB研究会)
• [学会発表] Information Geometry of Equilibrium and Nonequilibrium Chemical Reaction Networks (2022)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya J. Kobayashi
  • 学会等名: Workshop on Non-equilibrium Phenomena in Physics and Biology
  • 国際学会
• [学会発表] Riemannian Geometry of Chemical Reaction Networks and its Applications to Optimal Driving and Sensitivity (2022)
  • 著者名/発表者名: Dimitri Loutchko, Tetsuya J. Kobayashi
  • 学会等名: Workshop on Non-equilibrium Phenomena in Physics and Biology
  • 国際学会
• [学会発表] Evolution of Thymic Involution Through the Lens of Learning Theory (2022)
  • 著者名/発表者名: 堀口修平, 小林徹也
  • 学会等名: 第51回日本免疫学会学術集会
• [備考] 論文：平衡化学熱力学のもつヘッセ幾何学構造
  • URL: https://zenn.dev/crmind/articles/18c35f4c22279b
• [備考] 【記者発表】細胞の自己複製と成長に必要な物理条件はなにか？――成長する細胞系の熱力学理論の構築――
  • URL: https://www.iis.u-tokyo.ac.jp/ja/news/3972/
• [備考] 【記者発表】平衡・非平衡の化学反応システムを統一する新理論
  • URL: https://www.iis.u-tokyo.ac.jp/ja/news/3976/
• [備考] 論文：限られたリソースでどのように推定し、制御すべきか？
  • URL: https://zenn.dev/crmind/articles/b46610b161a57e