Theoretical study on biological information processing based on thermodynamics of information

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project Area: Information physics of living matters
• Project/Area Number: 19H05796
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Sagawa Takahiro 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (60610805)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 伊藤 創祐 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (00771221)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Keywords: 情報熱力学 / ゆらぎの熱力学 / 生体情報処理 / 情報幾何 / 最適輸送 / トポロジー

Outline of Final Research Achievements

The purpose of this project is not only to apply information thermodynamics to biological information processing, but also to extend the theory of information thermodynamics itself by introducing the perspectives of information geometry and topology. As a result, the following results have been obtained. First, by formulating the thermodynamic uncertainty relation in the short time limit, we established a method for estimating entropy generation that can be applied to real data in biological information processing. We also obtained various results on finite-time thermodynamics for stochastic processes and chemical reactions from the viewpoint of information geometry and optimal transport. For example, we revealed a fundamental relationship between the thermodynamic uncertainty relation and the Cramer-Rao bound. Furthermore, we found topological phenomena inherent to nonlinear systems and stochastic processes, and succeeded in constructing general theories of these phenomena.

Free Research Field

統計物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究の成果の学術的意義は、まず基礎物理の観点から情報熱力学の理論そのものを拡張し、新奇性の高い理論を構築したことである。情報幾何や最適輸送理論といった数理的な概念を取り入れることで、有限時間の熱力学についての新たな理論体系を構築した。さらにトポロジーについては、これまでほとんど研究されていなかった非線形系や確率過程にトポロジーの概念を拡張することに成功した。これらの成果は、生体情報処理におけるエントロピーの計測や、生体情報処理の頑健さの起源を明らかにするための基礎となるものである。また、アウトリーチや教科書の執筆を通して、研究分野の意義と展望について社会に広く発信することもできた。