不確実な生体集団を制御する新理論を開発~制御と情報を融合した手法で多様な生物現象への応用に道~

2025-09-30 東京大学

Web要約 の発言:
東京大学生産技術研究所と金沢大学の研究チームは、感染症流行やがん進行、生態系維持など「不確実に変動する生体集団」を最適に制御する新しい理論を開発した。従来制御が困難だった複雑系に対し、情報理論に基づくfダイバージェンスやKL情報量を制御コストに導入することで、解の導出を容易にし、汎用性の高い枠組みを提示。分子モーター輸送、種多様性維持、感染症抑制の各モデルに適用した結果、制御の「ON/OFF」を状況に応じて切り替えるモードスイッチング戦略が最適となることを示した。このアプローチは、数理制御・情報理論・生物学を融合し、生体系のゆらぎを活かした効率的制御を可能にするもので、今後は免疫療法の最適化やパンデミック対策、合成生物学など多分野での応用が期待される。

不確実な生体集団を制御する新理論を開発~制御と情報を融合した手法で多様な生物現象への応用に道~
分子や動物・人間社会など、確率的に振る舞う生物集団の制御の概念図

<関連情報>

エントロピー制御コストとモードスイッチング戦略の出現を伴う確率的反応ネットワークの最適制御 Optimal Control of Stochastic Reaction Networks with Entropic Control Cost and Emergence of Mode-Switching Strategies

Shuhei A. Horiguchi and Tetsuya J. Kobayashi
PRX Life  Published: 26 September, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/zttn-tpzq

Abstract

Controlling the stochastic dynamics of biological populations is a challenge that arises across various biological contexts. However, these dynamics are inherently nonlinear and involve a discrete state space, i.e., the number of molecules, cells, or organisms. Additionally, the possibility of extinction has a significant impact on both dynamics and control strategies, particularly when the population size is small. These factors hamper the direct application of conventional control theories to biological systems. To address these challenges, we formulate the optimal control problem for stochastic population dynamics by utilizing control cost functions based on the -divergence, which naturally accounts for population-specific factors. If Kullback-Leibler divergence is adopted for the cost function, the complex nonlinear Hamilton-Jacobi-Bellman equation is simplified into a linear form, facilitating efficient computation of optimal solutions. We demonstrate the effectiveness of our approach by applying it to the control of interacting random walkers, Moran processes, and SIR models, and observe the mode-switching phenomena in the control strategies. Our approach provides new opportunities for applying control theory to a wide range of biological problems.

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