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2023 年度 実績報告書

適応過程の情報物理学的理解

計画研究

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 / 最適制御 / 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】 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。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (44件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (39件) (うち国際学会 17件、 招待講演 4件) 学会・シンポジウム開催 (1件)

  • [雑誌論文] Decentralized Stochastic Control with Finite-Dimensional Memories: A Memory Limitation Approach2023

    • 著者名/発表者名
      Tottori Takehiro、Kobayashi Tetsuya J.
    • 雑誌名

      Entropy

      巻: 25 ページ: 791~791

    • DOI

      10.3390/e25050791

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Cellular gradient flow structure linking single-cell-level rules and population-level dynamics2023

    • 著者名/発表者名
      Horiguchi Shuhei A.、Kobayashi Tetsuya J.
    • 雑誌名

      Physical Review Research

      巻: 5 ページ: L022052

    • DOI

      10.1103/physrevresearch.5.l022052

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Population dynamics models for various forms of adaptation2023

    • 著者名/発表者名
      Nakashima So、J. Kobayashi Tetsuya
    • 雑誌名

      Biophysics and Physicobiology

      巻: 20 ページ: e200034

    • DOI

      10.2142/biophysico.bppb-v20.0034

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Information geometry of dynamics on graphs and hypergraphs2023

    • 著者名/発表者名
      Kobayashi Tetsuya J.、Loutchko Dimitri、Kamimura Atsushi、Horiguchi Shuhei A.、Sughiyama Yuki
    • 雑誌名

      Information Geometry

      巻: - ページ: -

    • DOI

      10.1007/s41884-023-00125-w

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      鳥取 岳広, 小林 徹也
    • 学会等名
      定量生物学の会 第十一回年会
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      木下 恭兵, 小林 徹也
    • 学会等名
      定量生物学の会 第十一回年会
  • [学会発表] 一般化勾配流による多細胞システムのモデル化2024

    • 著者名/発表者名
      堀口 修平, 小林 徹也
    • 学会等名
      定量生物学の会 第十一回年会
  • [学会発表] 加藤雅己, 小林徹也2024

    • 著者名/発表者名
      環境を通じて情報共有する細胞集団の強化学習的理解
    • 学会等名
      定量生物学の会 第十一回年会
  • [学会発表] 歴史から紐解く化学反応論と化学熱力学2024

    • 著者名/発表者名
      小林 徹也
    • 学会等名
      定量生物学の会 第十一回年会
  • [学会発表] 細胞集団の勾配流によるモデリング2024

    • 著者名/発表者名
      堀口 修平, 小林 徹也
    • 学会等名
      第8回理論免疫学ワークショップ
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      加藤雅己, 小林徹也
    • 学会等名
      第8回理論免疫学ワークショップ
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      木下 恭兵, 小林 徹也
    • 学会等名
      第8回理論免疫学ワークショップ
  • [学会発表] epiNMF: a Novel Method to Uncover the Influence of Epigenome on Local Mutation Rates2024

    • 著者名/発表者名
      Machiko Katori, Hiroyuki Yamasaki, Tetsuya Yamada-Saito, Tetsuya J. Kobayashi, Shoi Shi
    • 学会等名
      Gordon Research Seminar, DNA Damage, Mutation and Cancer
    • 国際学会
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      鳥取 岳広, 小林 徹也
    • 学会等名
      第67回システム制御情報学会研究発表講演会
  • [学会発表] Chemical thermodynamics for growing compartments2023

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Kamimura, Yuki Sughiyama, Tetsuya J. Kobayashi
    • 学会等名
      Molecular Origins of Life
    • 国際学会
  • [学会発表] Generalized gradient flow modeling of the cellular population dynamics and a T-cell immune response model2023

    • 著者名/発表者名
      Shuhei A. Horiguchi, Tetsuya J. Kobayashi
    • 学会等名
      The 8th CIJK Conference on Mathematical and Theoretical Biology
    • 国際学会
  • [学会発表] Optimal Information Processing and Control in Living Systems with limited resources2023

    • 著者名/発表者名
      Tetsuya J. Kobayashi
    • 学会等名
      STATPHYS28 Satellite Meeting:Statistical Physics and Information-Processing in Living Systems
    • 国際学会
  • [学会発表] Cellular gradient flow structure connects single-cell-level rules and population-level dynamics2023

    • 著者名/発表者名
      Shuhei A. Horiguchi, Tetsuya J. Kobayashi
    • 学会等名
      STATPHY, Satellite Meeting, Statistical Physics, Information-Processing in Living Systems
    • 国際学会
  • [学会発表] Information Geometry of Equilibrium and Nonequilibrium Chemical Reaction Networks2023

    • 著者名/発表者名
      Tetsuya J. Kobayashi, Dimitri Loutchko, Atsushi Kamimura, Yuki Sughiyama
    • 学会等名
      28th International Conference on Statistical Physics
    • 国際学会
  • [学会発表] The fate of growing systems under themorynamic and stoichiometric constraints2023

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Kamimura, Yuki Sughiyama, Tetsuya J. Kobayashi
    • 学会等名
      28th International Conference on Statistical Physics
    • 国際学会
  • [学会発表] Cellular gradient flow structure connects single-cell-level rules and population-level dynamics2023

    • 著者名/発表者名
      Shuhei A. Horiguchi, Tetsuya J. Kobayashi
    • 学会等名
      28th International Conference on Statistical Physics
    • 国際学会
  • [学会発表] Limits of gradient sensing with a dynamically changing cell shape2023

    • 著者名/発表者名
      Kento Nakamura, Tetsuya J. Kobayashi
    • 学会等名
      28th International Conference on Statistical Physics
    • 国際学会
  • [学会発表] Noise-induced receptor clustering as a functional role of noise for reducing errors in target ligand detection2023

    • 著者名/発表者名
      Masashi K. Kajita, Kazuyuki Aihara, Tetsuya J. Kobayashi
    • 学会等名
      28th International Conference on Statistical Physics
    • 国際学会
  • [学会発表] The Hessian Geometry of Thermodynamic Uncertainty Relations in Chemical Reaction Networks2023

    • 著者名/発表者名
      Dimitri Loutchko, Atsushi Kamimura, Yuki Sughiyama, Tetsuya J. Kobayashi
    • 学会等名
      28th International Conference on Statistical Physics
    • 国際学会
  • [学会発表] Using and Creating Control Theory for Biological Problems2023

    • 著者名/発表者名
      Tetsuya J. Kobayashi
    • 学会等名
      10th International Congress on Industrial and Applied Mathematics
    • 国際学会
  • [学会発表] Partially Observable Stochastic Control with Memory Limitation and Mean-Field Approach2023

    • 著者名/発表者名
      Takehiro Tottori, Tetsuya J. Kobayashi
    • 学会等名
      10th International Congress on Industrial and Applied Mathematics
    • 国際学会
  • [学会発表] Cellular gradient flow structure connects single-cell-level rules and population-level dynamics2023

    • 著者名/発表者名
      Shuhei A. Horiguchi, Tetsuya J. Kobayashi
    • 学会等名
      10th International Congress on Industrial and Applied Mathematics
    • 国際学会
  • [学会発表] Hessian geometric derivation of macroscopic thermodynamic uncertainty relations (TUR)2023

    • 著者名/発表者名
      Dimitri Loutchko, Tetsuya J. Kobayashi
    • 学会等名
      10th International Congress on Industrial and Applied Mathematics
    • 国際学会
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      小林徹也
    • 学会等名
      2023年度数理生物学会年会
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      加藤雅己, 小林徹也
    • 学会等名
      2023年度数理生物学会年会
  • [学会発表] ジャンプ過程に対する線形可解な確率最適制御2023

    • 著者名/発表者名
      堀口 修平, 小林 徹也
    • 学会等名
      2023年度数理生物学会年会
  • [学会発表] 伸長方向を制御する細胞による勾配方向の推定限界2023

    • 著者名/発表者名
      中村絢斗, 小林徹也
    • 学会等名
      2023年度数理生物学会年会
  • [学会発表] 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

    • 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2023年秋季大会
  • [学会発表] 細胞を創るための平衡・非平衡化学熱力学2023

    • 著者名/発表者名
      小林 徹也, 杉山友規, Dimitri Loutchko, 上村 淳
    • 学会等名
      「細胞を創る」研究会16.0
    • 招待講演
  • [学会発表] 体積成長を考慮した自己複製系の化学熱力学2023

    • 著者名/発表者名
      上村淳, 杉山友規, 小林徹也
    • 学会等名
      「細胞を創る」研究会16.0
  • [学会発表] Chemical thermodynamics for growing protocells2023

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Kamimura, Yuki Sughiyama, Tetsuya J. Kobayashi
    • 学会等名
      Origins of Life Donostia Meeting
    • 国際学会
  • [学会発表] 小林 徹也2023

    • 著者名/発表者名
      生体システムにおける化学情報処理過程の理解
    • 学会等名
      CBI2023大会
    • 招待講演
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      小林 徹也
    • 学会等名
      第26回情報論的学習理論ワークショップ
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      谷本 佑馬, 上村 淳, 小林 徹也
    • 学会等名
      第26回情報論的学習理論ワークショップ
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      小林 徹也
    • 学会等名
      第96回日本生化学会大会
    • 招待講演
  • [学会発表] Chemical thermodynamics for growing compartments with stoichiometric constraints2023

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Kamimura, Yuki Sughiyama, Tetsuya J. Kobayashi
    • 学会等名
      日本生物物理学会第61回年次大会
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      小林 徹也, 梦吉, 舟橋 啓
    • 学会等名
      日本生物物理学会第61回年次大会
  • [学会発表] Optimality of Biological Information Processing2023

    • 著者名/発表者名
      Tetsuya J. Kobayashi
    • 学会等名
      Biomedical Mathematics Online Colloquium
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会・シンポジウム開催] Information Physics in Living Systems2024

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公開日: 2024-12-25  

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