論文の概要: Modeling non-genetic information dynamics in cells using reservoir
computing
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2312.07977v1
- Date: Wed, 13 Dec 2023 08:47:50 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-12-14 16:12:02.598742
- Title: Modeling non-genetic information dynamics in cells using reservoir
computing
- Title（参考訳）: 貯水池計算によるセル内非ジェネティック情報ダイナミクスのモデル化
- Authors: Dipesh Niraula (1), Issam El Naqa (1), Jack Adam Tuszynski (2), and
Robert A. Gatenby (3) ((1) Department of Machine Learning, Moffitt Cancer
Center, Tampa, FL, USA (2) Departments of Physics and Oncology, University of
Alberta, Edmonton, AB, CAN (3) Departments of Radiology and Integrated
Mathematical Oncology, Moffitt Cancer Center, Tampa, FL, USA)
- Abstract要約: イオン勾配は, 環境情報を取得し, 分析し, 応答する, 動的で汎用的な生体システムを実現する。
提案したイオン力学は,実験観測と一致した情報外部摂動に対する応答の迅速な拡散を可能にすることを実証する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Virtually all cells use energy and ion-specific membrane pumps to maintain
large transmembrane gradients of Na$^+$, K$^+$, Cl$^-$, Mg$^{++}$, and
Ca$^{++}$. Although they consume up to 1/3 of a cell's energy budget, the
corresponding evolutionary benefit of transmembrane ion gradients remain
unclear. Here, we propose that ion gradients enable a dynamic and versatile
biological system that acquires, analyzes, and responds to environmental
information. We hypothesize environmental signals are transmitted into the cell
by ion fluxes along pre-existing gradients through gated ion-specific membrane
channels. The consequent changes of cytoplasmic ion concentration can generate
a local response and orchestrate global or regional responses through wire-like
ion fluxes along pre-existing and self-assembling cytoskeleton to engage the
endoplasmic reticulum, mitochondria, and nucleus.
Here, we frame our hypothesis through a quasi-physical (Cell-Reservoir) model
that treats intra-cellular ion-based information dynamics as a sub-cellular
process permitting spatiotemporally resolved cellular response that is also
capable of learning complex nonlinear dynamical cellular behavior. We
demonstrate the proposed ion dynamics permits rapid dissemination of response
to information extrinsic perturbations that is consistent with experimental
observations.
- Abstract（参考訳）: 事実上、全ての細胞はエネルギーとイオン特異的膜ポンプを使用して、na$^+$、k$^+$、cl$^-$、mg$^{++}$、ca$^{++}$という大きな膜貫通勾配を維持する。
細胞のエネルギー予算の1/3を消費するが、膜貫通イオン勾配の進化的な利点はいまだ不明である。
本稿では, イオン勾配が環境情報を取得し, 分析し, 応答する動的で多用途な生体システムを実現することを提案する。
環境シグナルは、ゲートイオン特異的膜チャネルを介して、既存の勾配に沿ってイオンフラックスによって細胞に伝達される。
細胞質イオン濃度の連続的な変化は、小胞体、ミトコンドリア、核と相互作用するために、ワイヤ状のイオンフラックスを介して、局所的な応答を発生させ、全球的または局所的な応答を編成することができる。
ここでは, 細胞内イオン情報力学を, 複雑な非線形動的細胞挙動を学習可能な時空間分解型細胞応答を許容するサブセルプロセスとして扱う, 準物理モデルを用いて仮説を定式化する。
提案するイオン動力学は,実験結果と一致した情報摂動に対する応答を迅速に広めることを実証する。
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