[論文レビュー] On the role of the plasmodial cytoskeleton in facilitating intelligent behaviour in slime mould Physarum polycephalum

Richard Mayne, Andrew Adamatzky+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2015

Slime Mold and Myxomycetes Research参考文献 42被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、粘菌 *Physarum polycephalum* のプラズモデウム骨格が、迷路解消やネットワーク最適化といった知能的行動をどのように可能にするかを調査している。蛍光顕微鏡法および免疫染色法を用いた実験的可視化とアクチンおよびトゥブリン網の計算モデルを組み合わせることで、骨格が情報伝達および計算のための動的かつ自己組織的基盤として機能することを示した。反応拡散ダイナミクスと細胞オートマトンシミュレーションを通じて、知能の出現を支える仕組みが明らかになった。

ABSTRACT

The plasmodium of slime mould Physarum polycephalum behaves as an amorphous reaction-diffusion computing substrate and is capable of apparently intelligent behaviour. But how does intelligence emerge in an acellular organism? Through a range of laboratory experiments, we visualise the plasmodial cytoskeleton, a ubiquitous cellular protein scaffold whose functions are manifold and essential to life, and discuss its putative role as a network for transducing, transmitting and structuring data streams within the plasmodium. Through a range of computer modelling techniques, we demonstrate how emergent behaviour, and hence computational intelligence, may occur in cytoskeletal communications networks. Specifically, we model the topology of both the actin and tubulin cytoskeletal networks and discuss how computation may occur therein. Furthermore, we present bespoke cellular automata and particle swarm models for the computational process within the cytoskeleton and observe the incidence of emergent patterns in both. Our work grants unique insight into the origins of natural intelligence; the results presented here are therefore readily transferable to the fields of natural computation, cell biology and biomedical science. We conclude by discussing how our results may alter our biological, computational and philosophical understanding of intelligence and consciousness.

研究の動機と目的

• 単細胞の粘菌 *Physarum polycephalum* における知能的行動を可能にするプラズモデウム骨格の役割を調査すること。
• 中枢的な神経系が存在しない状況下で、細胞骨格ネットワークがどのように情報伝達および構造化を行うかを理解すること。
• 計算フレームワークを用いて細胞骨格ネットワークのトポロジーをモデル化し、出現的計算知能を模擬すること。
• これらの発見が自然計算、細胞生物学、知能および意識の理論に与える意味を検討すること。

提案手法

• 蛍光顕微鏡法および免疫染色法を用いて、プラズモデウム骨格を実験的に可視化した。
• アクチンおよびトゥブリン細胞骨格ネットワークの計算モデルを構築し、そのトポロジー構造と信号伝播ダイナミクスを分析した。
• 独自開発の細胞オートマトンモデルを用いて、細胞骨格ネットワーク内での情報処理を模擬した。
• 集団的行動および細胞骨格コミュニケーションにおけるパターン形成を探索するため、粒子群モデルを開発した。
• 細胞骨格スキャフォールド上での反応拡散過程をシミュレートし、出現的計算行動を観察した。
• モデルの両方において出現するパターンおよびネットワーク最適化の結果を分析し、計算可能性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プラズモデウム骨格は *Physarum polycephalum* における情報処理にどのように寄与しているか？
• RQ2 アクチンおよびトゥブリンネットワークは、プラズモデウム内での信号の構造化と伝達にどのような役割を果たしているか？
• RQ3 神経系が存在しない状況で、細胞骨格ダイナミクスから計算知能が出現しうるか？
• RQ4 細胞骨格における反応拡散機構とネットワークトポロジーは、どのように適応的行動を生じさせるか？
• RQ5 非神経系における細胞骨格計算の知見は、知能および意識の理解にどのような意味を持つのか？

主な発見

• プラズモデウム骨格は、プラズモデウム全体にわたる信号の変換および伝達が可能な動的かつ自己組織的ネットワークを形成する。
• アクチンおよびトゥブリンネットワークのモデリングにより、分散計算および情報統合に適した複雑なトポロジーが明らかになった。
• 細胞オートマトンシミュレーションにより、局所的な細胞骨格相互作用から構造的でパターン化された行動が出現することが示された。
• 粒子群モデルでは、分散型の細胞骨格ダイナミクスから集団的行動およびネットワーク最適化が生じることが示された。
• 細胞骨格スキャフォールド上での反応拡散シミュレーションにより、迷路解消や効率的ネットワーク形成に類似した出現的行動が得られた。
• 結果から、骨格は神経が存在しない状況でも計算の生物学的基盤として機能し、知能的行動の出現を支えていることが示唆された。