[論文レビュー] Modelling intracellular signalling networks using behaviour-based systems and the blackboard architecture

Pedro Pablo González Pérez, Carlos Gershenson+2 more|ArXiv.org|Nov 22, 2002

Gene Regulatory Network Analysis参考文献 14被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、行動ベースのシステムとブラックボードアーキテクチャを組み合わせたハイブリッドモデルであるCellulatを紹介する。このモデルは、細胞内シグナル伝達ネットワークをシミュレートし、認知的行動に類似したコンポーネントの挙動と空間的組織を表現可能にする。本アプローチはCa2+シグナル伝達経路を効果的にモデル化し、細胞内シグナル伝達バーチャルラボの構築の可能性を示している。

ABSTRACT

This paper proposes to model the intracellular signalling networks using a fusion of behaviour-based systems and the blackboard architecture. In virtue of this fusion, the model developed by us, which has been named Cellulat, allows to take account two essential aspects of the intracellular signalling networks: (1) the cognitive capabilities of certain types of networks' components and (2) the high level of spatial organization of these networks. A simple example of modelling of Ca2+ signalling pathways using Cellulat is presented here. An intracellular signalling virtual laboratory is being developed from Cellulat.

研究の動機と目的

• 従来のモデルが細胞内ネットワークコンポーネントの認知的挙動を表現する点で抱える制限を克服すること。
• 細胞内シグナル伝達ネットワークに内在する高い空間的組織性を組み込むこと。
• 複雑な細胞内シグナル伝達ダイナミクスをシミュレートするための柔軟で拡張可能なフレームワークを構築すること。
• ハイブリッドアーキテクチャを用いたシステム生物学モデリングの可能性を示すこと。
• Cellulatフレームワークを用いて細胞内シグナル伝達バーチャルラボの基盤を築くこと。

提案手法

• 共有知識の管理と異種コンポーネント間の問題解決の調整を可能にするためにブラックボードアーキテクチャを採用する。
• 個々のコンポーネントを自律的・反応的な挙動でモデル化するため、行動ベースのシステムを統合する。
• コンポーネントが共有ブラックボード空間を通じて相互に作用する階層的でモジュラーな設計を採用する。
• 信号状態や空間的条件の変化によってトリガーされるルールベースの行動をコンポーネントの挙動として定義する。
• 動的再構成とエメrgェントネットワーク行動をサポートするようにシステムを構造化する。
• 概念的実証として、Ca2+シグナル伝達経路のモデル化にフレームワークを適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 行動ベースのシステムは、細胞内シグナル伝達コンポーネントの意思決定能力をどの程度効果的にモデル化できるか。
• RQ2 ブラックボードアーキテクチャは、細胞内シグナル伝達ネットワークの複雑さと調整をどの程度管理できるか。
• RQ3 認知的挙動と空間的組織性を、1つの計算フレームワーク内で統合できるか。
• RQ4 提案されたモデルは、Ca2+シグナル伝達のような動的でマルチスケールなシグナル伝達経路のシミュレーションをどの程度サポートできるか。
• RQ5 このモデルを、完全な細胞内シグナル伝達バーチャルラボへと拡張する可能性はどの程度か。

主な発見

• Cellulatフレームワークは、ブラックボードによる集中管理と自律的コンポーネント行動の組み合わせにより、Ca2+シグナル伝達経路を効果的にモデル化した。
• アーキテクチャにより、個々のコンポーネントの知能と、エメrgェントネットワークレベルの挙動の両方を表現可能にした。
• コンポーネントの位置と相互作用ルールを用いることで、シグナル伝達コンポーネントの空間的組織が効果的に捉えられた。
• スケーラビリティとモularityが実証され、包括的な細胞内シグナル伝達バーチャルラボの開発を支援した。
• 行動ベースのシステムとブラックボードアーキテクチャの統合により、システム生物学シミュレーションのための柔軟で拡張可能な基盤が得られた。
• 動的で反応的な応答が可能となり、静的モデルよりも生物学的現実に近い挙動を再現できた。