[論文レビュー] Plasticity-rigidity cycles: A general adaptation mechanism

Péter Csermely|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2015

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ひとこと要約

本稿は、生物学的・認知的・社会的システムにわたる適応を統一的に説明するメカニズムとして、可塑性・剛性のサイクルを提案する。柔軟（可塑的）な状態と安定（剛性）な状態を交互に繰り返すことで、システムは進化可能性、記憶形成、レジリエンスを向上させ、老化、疾患、危機管理における干渉のための枠組みを提供する。

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.

研究の動機と目的

• 分子、細胞、認知、社会的システムにわたる多様な適応的プロセスを、単一のメカニズム的枠組みで統合すること。
• 適応における交互に現れる可塑的および剛性状態の理解が断片的であるという問題に取り組むこと。
• 可塑性・剛性のサイクルが進化可能性、記憶、システム安定性をどのように向上させるかを示すこと。
• 医学および複雑システム管理における干渉のための理論的基盤を提供すること。
• 分子ネットワーク、ニューロンの可塑性、社会的組織の知見を統合し、整合的なモデルを構築すること。

提案手法

• 分子アセンブリ、タンパク質折りたたみ、細胞分化における繰り返し発生する可塑的・剛性状態の遷移を分析すること。
• 不規則系およびニューラルネットワークの概念を応用し、動的状態遷移をモデル化すること。
• ネットワーク理論を用いて、複雑システムにおける可塑性と剛性を構造的および機能的状態としてマッピングすること。
• 生物学的適応と社会的・生態的グループ組織との類似性を抽出すること。
• 分子生物学、神経科学、社会的システムからの実証的データを統合し、統一された枠組みを構築すること。
• 可塑性と剛性のサイクルが探索と活用のトレードオフを可能にする概念的モデルを提唱すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分子および細胞系において、交互に現れる可塑的および剛性状態は、どのように適応能力に寄与するか？
• RQ2 神経系において、可塑性・剛性のサイクルは、学習および記憶形成をどのように支援するか？
• RQ3 これらのサイクルは、生物学的および社会的エコシステムにおける進化可能性とレジリエンスをどのように向上させるか？
• RQ4 老化および関連する機能低下において、可塑性・剛性のサイクルは果たす役割は何か？
• RQ5 この枠組みは、医学的および金融的危機管理における効果的な干渉の設計をどのように導くことができるか？

主な発見

• 可塑性・剛性のサイクルは、分子アセンブリ、タンパク質折りたたみ、細胞分化において繰り返し観察されるメカニズムである。
• 柔軟な状態と安定した状態の交互な遷移により、効率的な探索と活用が可能となり、システムの適応性が向上する。
• これらのサイクルは、可塑的状態後の神経構成の安定化を通じて、長期記憶形成を支援する。
• モデルは、進化的および認知的プロセスにおけるイノベーション（可塑性）と安定性（剛性）のトレードオフを説明する。
• 可塑性・剛性のサイクルは、ストレス時の一時的な柔軟性とその後の安定化を可能にすることで、システムのレジリエンスを高める。
• 状態遷移を調整することで、老化、疾患、システム的危機に対する標的干渉の設計に役立つ基盤を提供する。