[논문 리뷰] On the role of the plasmodial cytoskeleton in facilitating intelligent behaviour in slime mould Physarum polycephalum

Richard Mayne, Andrew Adamatzky외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 10.

Slime Mold and Myxomycetes Research참고 문헌 42인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 미생물 *Physarum polycephalum*의 플라스모디얼 세 cytoskeleton이 미로 풀이 및 네트워크 최적화와 같은 지능적 행동을 가능하게 하는 방식을 조사한다. 액틴과 트루불린 네트워크의 실험적 시각화 및 컴퓨터 모델링를 통해 저자들은 세 cytoskeleton이 반응-확산 역학과 세포 자동기계 시뮬레이션을 통해 부상하는 지능을 지원하는 동적이고 자가조직화된 자료 전달 및 계산의 기초 역할을 한다고 밝힌다.

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.

연구 동기 및 목표

• 유세포성 미생물 *Physarum polycephalum*에서 플라스모디얼 세 cytoskeleton이 지능적 행동을 가능하게 하는 역할를 조사하기 위해.
• 중앙 집중식 신경계 없이도 세 cytoskeleton 네트워크가 플라스모디움 내에서 정보를 전달하고 구조화하는 방식을 이해하기 위해.
• 컴퓨터 기반 프레임워크를 사용하여 세 cytoskeleton 네트워크의 구조를 모델링하고 부상하는 계산 지능을 시뮬레이션하기 위해.
• 이러한 발견이 자연계 계산, 세포 생물학, 그리고 지능과 의식 이론에 미치는 영향를 탐구하기 위해.

제안 방법

• 형광 현미경 및 항체 염색 기법을 사용하여 플라스모디얼 세 cytoskeleton을 시각화하기 위해 실험실 실험을 수행하였다.
• 액틴과 트루불린 세 cytoskeleton 네트워크의 컴퓨터 모델을 구축하여 그들의 구조적 특성과 신호 전파 역학을 분석하였다.
• 세 cytoskeleton 네트워크 내에서의 정보 처리를 시뮬레이션하기 위해 특수 설계된 세포 자동기계 모델을 사용하였다.
• 세 cytoskeleton 통신 내에서의 집단적 행동과 패턴 형성의 특성을 탐구하기 위해 입자 군집 모델을 개발하였다.
• 세 cytoskeleton 기반 구조 위에서 반응-확산 과정을 시뮬레이션하여 부상하는 계산 행동을 관찰하였다.
• 모델 유형 간의 부상 패턴과 네트워크 최적화 결과를 분석하여 계산 잠재력을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플라스모디얼 세 cytoskeleton은 *Physarum polycephalum*에서 정보 처리에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 액틴과 트루불린 네트워크는 플라스모디움 내에서 신호를 구조화하고 전달하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 신경계 없이도 세 cytoskeleton 역학으로부터 계산 지능이 부상할 수 있는가?
• RQ4 세 cytoskeleton의 반응-확산 메커니즘과 네트워크 구조는 어떻게 적응적 행동을 유도하는가?
• RQ5 비신경계 시스템에서 지능과 의식을 이해하는 데 있어 세 cytoskeleton 계산의 의미는 무엇인가?

주요 결과

• 플라스모디얼 세 cytoskeleton은 플라스모디움 전반에 걸쳐 신호를 변환하고 전달할 수 있는 동적이고 자가조직화된 네트워크를 형성한다.
• 액틴과 트루불린 네트워크의 모델링을 통해 분포된 계산과 정보 통합에 유리한 복잡한 구조적 특성이 드러났다.
• 세포 자동기계 시뮬레이션은 국소적 세 cytoskeleton 상호작용에서 구조적이고 패턴화된 행동이 부상하는 것을 보여주었다.
• 입자 군집 모델은 분산된 세 cytoskeleton 역학에서 집단적 행동과 네트워크 최적화가 유도될 수 있음을 보여주었다.
• 세 cytoskeleton 기반 구조 위에서의 반응-확산 시뮬레이션은 미로 풀이 및 효율적인 네트워크 형성과 유사한 부상 행동을 생성하였다.
• 결과적으로 세 cytoskeleton은 뉴런이 없더라도 지능적 행동의 부상에 기여하는 생물학적 계산 기반으로 작용할 수 있음을 시사한다.