[논문 리뷰] Plasticity-rigidity cycles: A general adaptation mechanism

Péter Csermely|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 04.

Force Microscopy Techniques and Applications참고 문헌 262인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 생물학적, 인지적, 사회적 시스템 전반에서의 적응을 통합하는 메커니즘으로 유연성-고정성 사이클을 제안한다. 시스템이 변화 가능한(유연한) 상태와 안정적인(고정된) 상태를 번갈아가며 전환함으로써, 진화 가능성, 기억 형성, 내재적 회복력이 향상되며, 노화, 질병, 위기 관리 분야의 간병 전략 수립에 기초가 된다.

ABSTRACT

Successful adaptation helped the emergence of complexity. Alternating plastic- and rigid-like states were recurrently considered to play a role in adaptive processes. However, this extensive knowledge remained fragmented. In this paper I describe plasticity-rigidity cycles as a general adaptation mechanism operating in molecular assemblies, assisted protein folding, cellular differentiation, learning, memory formation, creative thinking, as well as the organization of social groups and ecosystems. Plasticity-rigidity cycles enable a novel understanding of aging, exploration/exploitation trade-off and evolvability, as well as help the design of efficient interventions in medicine and in crisis management of financial and biological ecosystems.

연구 동기 및 목표

• 분자, 세포, 인지, 사회적 시스템 전반에서 다양한 적응 과정을 하나의 기계적 프레임워크로 통합하기 위해.
• 적응 과정에서 번갈아가는 유연성과 고정성 상태에 대한 분산된 이해를 해결하기 위해.
• 유연성-고정성 사이클이 진화 가능성, 기억 형성, 시스템 안정성 향상에 어떻게 기여하는지 보여주기 위해.
• 의학 및 복잡한 시스템 관리 분야의 간병 전략 설계를 위한 이론적 기초를 제공하기 위해.
• 분자 네트워크, 신경 유연성, 사회 조직 분야의 연구 결과를 통합하여 일관된 모델을 제시하기 위해.

제안 방법

• 분자 집합체, 단백질 접힘, 세포 분화 과정에서 반복적으로 나타나는 유연-고정 상태 전이 분석하기.
• 비정질 시스템과 신경망 이론의 개념을 활용해 동적 상태 전이를 모델링하기.
• 네트워크 이론을 사용해 복잡한 시스템에서 유연성과 고정성을 구조적 및 기능적 상태로 매핑하기.
• 생물학적 적응과 사회적 또는 생태계 집단 조직 간의 유사성 도출하기.
• 분자 생물학, 신경과학, 사회 시스템 분야의 실증 데이터를 통합해 통합적 프레임워크 구성하기.
• 유연성과 고정성의 사이클이 탐색과 이용 간의 상충관계를 가능하게 하는 개념적 모델 제안하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유연성과 고정성 상태가 번갈아가는 방식이 분자 및 세포 시스템의 적응 능력에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 유연성-고정성 사이클이 신경 시스템에서 학습과 기억 형성에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 이러한 사이클이 생물학적 및 사회적 생태계에서의 진화 가능성과 내재적 회복력을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 유연성-고정성 사이클이 노화 및 관련 기능 저하 과정에서 수행하는 역할은 무엇인가?
• RQ5 이 프레임워크는 의료 및 금융 위기 관리 분야의 효과적인 간병 전략 설계를 어떻게 안내할 수 있는가?

주요 결과

• 유연성-고정성 사이클은 분자 집합체, 단백질 접힘, 세포 분화 과정에서 반복적으로 나타나는 메커니즘이다.
• 변화 가능한 상태와 안정된 상태의 번갈아가는 전이가 효율적인 탐색과 이용을 가능하게 하여 시스템의 적응 능력을 향상시킨다.
• 이러한 사이클은 유연성 기간 이후 신경 구성의 안정화를 통해 장기 기억 형성에 기여한다.
• 모델은 진화적 및 인지 과정에서 혁신(유연성)과 안정성(고정성) 간의 상충관계를 설명한다.
• 유연성-고정성 사이클은 스트레스 기간 동안 일시적인 탄력성을 허용하고 이후 안정화를 가능하게 하여 시스템의 내재적 회복력을 향상시킨다.
• 이 프레임워크는 상태 전이 조절을 통해 노화, 질병, 체계적 위기 관리 분야의 표적 간병 전략 설계에 기초가 된다.