[論文レビュー] Epigenetic Tracking, a Method to Generate Arbitrary Shapes By Using Evolutionary-Developmental Techniques

Alessandro Fontana|ArXiv.org|May 16, 2008

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ひとこと要約

この論文は、ゲノムガイド付き胚発生モデルを用いて任意の2次元細胞形状を生成する、進化的・発生的アプローチであるエピジェネティックトラッキングを紹介する。ドライバー細胞にエピジェネティックな系統記憶を設け、集団的増殖／アポトーシスを可能にすることで、フランスの国旗、 frog、頭部などの複雑なモノクロおよびカラー形状を効果的に進化させ、形状の多様性と複雑さにおいて従来手法を凌駃した。

ABSTRACT

This paper describes an Artificial Embryology method (called ``Epigenetic Tracking'') to generate predefined arbitrarily shaped 2-dimensional arrays of cells by means of evolutionary techniques. It is based on a model of development, whose key features are: i) the distinction bewteen ``normal'' and ``driver'' cells, being the latter able to receive guidance from the genome, ii) the implementation of the proliferation/apoptosis events in such a way that many cells are created/deleted at once, in order to speed-up the morphogenetic process. iii) the presence in driver cells of an epigenetic memory, that holds the position of the cell in the cell lineage tree and represents the source of differentiation during development. The experiments performed with a number of 100x100 black and white and colour target shapes (the horse, the couple, the hand, the dolphin, the map of Britain, the foot, the frog, the baby, the stomach, the french flag, the head) bring to the conclusion that the method described is able to generate any target shape, outperforming any other known method in terms of size and variety of the generated shapes. The interpretation of the proposed method as a model of embryogenesis and its biological implications are discussed.

研究の動機と目的

• 進化的・発生的計算を用いて、任意の2次元細胞形状を生成する汎用的手法を開発すること。
• 従来手法が非凸形や大規模形状において困難を示すという制限を克服すること。
• 系統記憶と動的細胞質量形成を組み込むことで、生物学的胚発生をより忠実にモデル化すること。
• 進化的・発生的システムにおける「ゴミ」遺伝子およびエピジェネティック要因の役割を調査すること。
• 形状特化のヒューリスティクスを追加せずに、スケーラブルで一般化可能な形態形成を可能にすること。

提案手法

• モデルは、通常細胞とドライバー細胞の区別を採用し、ドライバー細胞にのみゲノムのガイドが適用される。
• 細胞増殖およびアポトーシスは逐次的ではなく、一括処理としてトリガーされ、形態形成を高速化する。
• ドライバー細胞は、系統木における位置を表すエピジェネティック記憶（CET：Cell Evolutionary Type）を保持する。
• ゲノムは、CET値に基づいて活性化する発生オペレータをエンコードし、ゲノタイプと形態形成出力の直接的リンクを実現する。
• 進化的に、ターゲット形状を生成するためのゲノム配列を最適化する遺伝的アルゴリズムを用いる。
• システムは初期胚発生を模倣し、形状特異的分化の前にモラウラ様の細胞質量を形成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 形状特化のヒューリスティクスを一切用いずに、純粋な進化的・発生的アプローチで任意の2次元形状を生成できるか？
• RQ2 系統に基づくエピジェネティック記憶（CET）は、生成された形態のロバストネスと多様性にどのように寄与するか？
• RQ3 一括細胞ダイナミクスと直接的なゲノタイプからフェノタイプへのマッピングは、どれほど複雑な形態形成を可能にするか？
• RQ4 進化的・発生的システムにおける「ゴミ」オペレータおよびCET値の役割は何か？
• RQ5 発生論的論理とスケーラビリティの観点から、生物学的胚発生と比較して、このモデルはどの程度類似しているか？

主な発見

• 本手法は、馬、イルカ、フランスの国旗など、10種類の異なるターゲット形状を、モノクロおよびカラー両方のバリエーションで高い忠実度で生成した。
• 非凸形や大規模パターンを含め、形状の多様性と複雑さにおいて、既存手法を上回った。
• エピジェネティック記憶（CET）により、安定した系統追跡が可能になり、分化と空間的パターニングの精密な制御が実現した。
• 一括増殖およびアポトーシスイベントは、逐次的細胞レベル操作と比較して、形態形成プロセスを顕著に高速化した。
• 発生中に活性化されない「ゴミ」オペレータおよびCET値の存在は、進化的なブラインドサーチとオープンエンドド革新と整合的であった。
• モデルは、「ゴミ」DNAは特定の発生的条件下でのみ非機能的である可能性を示唆しており、文脈依存的な機能性があると考えられる。