実験データから「見えない内部状態の分布」を再構成する新手法を開発―情報幾何の応用により、生体分子の動きの可視化に成功―

2026-07-06 京都大学

慶應義塾大学と京都大学の研究グループは、実験データから直接観測できない「内部状態の分布」を高精度に再構成する新たな計算手法を開発した。生命科学や物理学、材料科学では、観測データから内部構造や状態を推定する「逆問題」が重要であるが、従来手法では複雑な分布を精度よく復元することが困難だった。研究では、確率分布の空間を情報幾何学に基づく多様体として扱い、その幾何学的構造を考慮した最適化アルゴリズム「MBGD法(Manifold-Based Gradient Descent)」を開発した。この手法により、実験データと分子動力学(MD)シミュレーションを統合解析し、溶液中で揺らぎながら構造を変化させるタンパク質の動的な状態分布を高精度で可視化することに成功した。本成果は、実験だけでは見えない分子の構造変化や機能発現の仕組みを理解する新たな計算科学基盤となるものであり、生体分子研究に加え、材料設計や物理現象の解析など幅広い分野の逆問題への応用が期待される。研究成果は「Physical Review Research」に掲載された。

実験データから「見えない内部状態の分布」を再構成する新手法を開発―情報幾何の応用により、生体分子の動きの可視化に成功―
MBGD法による実験データとMDシミュレーションの統合解析:可視化されたSjGlcNKの動的構造

<関連情報>

確率分布の多様体に基づく変換:実験データから分布を再構築する逆問題への応用 Manifold-based transformation of probability distributions: Application to the inverse problem of reconstructing distributions from experimental data

Tomotaka Oroguchi, Rintaro Inoue, and Masaaki Sugiyama
Physical Review Research  Published 15 June, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/vkck-1pcm

Abstract

Information geometry is a mathematical framework that elucidates the manifold structure of the probability distribution space (p space), providing a systematic approach to transforming probability distributions (PDs). In this study, we utilized information geometry to address the inverse problems associated with reconstructing PDs from experimental data. Our initial finding is that the Kullback-Leibler divergence, often considered nonmetric owing to its asymmetry, can serve as a valid metric under specific geometric conditions on the manifold. Based on this finding, we formulated the manifold-based gradient descent (MBGD) method, which was employed to visualize the internal structures—represented as PDs—of two types of systems: those with static constituent elements and those with dynamic state transitions. Through the application of MBGD, we successfully reconstructed the underlying PDs for both types of systems, outperforming the standard gradient descent methods that neglect the manifold structure of p space. Therefore, the present results demonstrate the essentiality of accounting for the manifold structure of p space in the inverse problems of reconstructing PDs. The ability of MBGD to accurately reconstruct PDs for systems with dynamic state transitions underscores its potential to provide valuable physical insights by visualizing internal structures.

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