(57)【要約】      （修正有）【課題】協同現象を示す細胞内又は細胞間の相互作用を利用して既存のデジタル計算機等による情報処理方式とは全く異なる新規な情報処理方式で実行される情報処理システムを提供する。【解決手段】協同現象を示す細胞である真性粘菌１５を素子として用い、障壁部１２内に収容された真性粘菌１５の変形状態をビデオカメラによりリアルタイムで監視する。そして、その真性粘菌１５の変形状態に応じて、プロジェクタにより、真性粘菌１５の変形状態を統御する光を所定の照射パターンで照射する。これにより、真性粘菌１５の変形状態に応じて光の照射パターンが変わり、その光の照射パターンによってさらに真性粘菌１５が変形する、というフィードバックループの過程で、真性粘菌１５を変形させることができる。そして、真性粘菌１５の自発的なゆらぎを伴う活動により、システムが複数の定常状態のうちの特定の定常状態の間で連鎖的な遷移を繰り返す。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
協同現象を示す細胞内又は細胞間の相互作用を利用して各種の情報処理を行う情報処理システムにおいて、
協同現象を示す細胞又は細胞群と、
前記細胞又は細胞群を収容してその活動空間を限定するための複数の凹区画を有する障壁装置と、
前記障壁装置内に収容された前記細胞又は細胞群の現在の活動状態を監視する監視装置と、
前記監視装置により監視された前記細胞又は細胞群のうち前記障壁装置の特定の凹区画に位置する部分の活動状態に応じて、前記細胞又は細胞群のうち前記障壁装置の前記特定の凹区画に関連する他の凹区画に位置する部分に対して、前記細胞又は細胞群の活動状態を統御する所定の刺激を局所的又は全体的に付与する刺激付与装置とを備え、
前記刺激付与装置は、前記障壁装置内に収容された前記細胞又は細胞群の活動により生じる時空間的な振動パターンが複数の定常状態又は安定状態をとり、かつ、前記細胞又は細胞群が、前記各定常状態又は各安定状態の間で、細胞内又は細胞間の相互作用を介して遷移するよう、前記細胞又は細胞群に対して所定の規則に従って刺激を付与することを特徴とする情報処理システム。
【請求項２】
前記細胞又は細胞群は、前記障壁装置の前記各凹区画に沿ってその形状を任意に変化させることが可能なアメーバ様細胞又はアメーバ様生物であることを特徴とする、請求項１に記載の情報処理システム。
【請求項３】
前記監視装置は、前記アメーバ様細胞又はアメーバ様生物の活動により生じる時空間的な振動パターンの変化に伴ったアメーバ運動により引き起こされる全体形状の変化に基づいて当該アメーバ様細胞又はアメーバ様生物の現在の活動状態を監視することを特徴とする、請求項２に記載の情報処理システム。
【請求項４】
前記障壁装置は、前記アメーバ様細胞又はアメーバ様生物の活動空間を限定する前記複数の凹区画として、中央凹部と、この中央凹部から放射状に延びる複数の通路とを有することを特徴とする、請求項２又は３に記載の情報処理システム。
【請求項５】
前記刺激付与装置は、前記アメーバ様細胞又はアメーバ様生物の縮退を促すことが可能な忌避刺激である光を照射する光照射装置を有することを特徴とする、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の情報処理システム。
【請求項６】
前記アメーバ様細胞又はアメーバ様生物は、真性粘菌の変形体であることを特徴とする、請求項２乃至５のいずれか一項に記載の情報処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、協同現象を示す細胞又は細胞群を用いた情報処理システムに係り、とりわけ、協同現象を示す細胞内又は細胞間の相互作用を利用して既存のデジタル計算機等による情報処理方式とは全く異なる新規な情報処理方式で実行される情報処理システムに関する。
【０００２】
なお、本明細書において、細胞又は細胞群が示す「協同現象」とは、多数の要素からなるシステム内で要素同士が相互作用することにより生じるシステム全体の秩序だった振る舞いのことをいう。ここで、システムの構成要素は、化学的、電気的、熱的、光学的又は力学的な振動特性を有する振動子であり、一つの細胞がシステム全体に相当する場合には、それを構成する化学物質や多数の分子集合体又は高分子が当該構成要素にあたる。一方、一つの細胞を一つの構成要素とみなす場合は、当該細胞が上述した振動特性を有する振動子となり、それらがまとまった形で統一的に振る舞う集合体としての細胞群がシステム全体となる。なお、これらの協同現象の例としては、振動子群が形成する場における時空間的な振動パターンの同期や、波の伝播あるいは外部刺激への引き込み等が挙げられる。なお、本発明に係る細胞又は細胞群においては、後述するように、システム内での構成要素同士の相互作用に依存してシステム全体の挙動が変化する（すなわち、部分から全体の秩序が規定される）だけでなく、それと同時に、システム内での構成要素の挙動がシステム全体の特性に依存して変化する（すなわち、全体の秩序から部分が規定される）という特質を有している。この点に関し、本明細書でいう「協同現象」という表現は、必ずしも後者の特質を排除するものではないことを念のため付言する。
【背景技術】
【０００３】
従来の情報処理システムとしては、誤作動のない安定な素子を用いて逐次アルゴリズム等に従って演算処理を行うデジタル計算機が一般的に用いられている。このようなデジタル計算機で用いられる素子は、何時如何なる場合でも不変的な応答特性を持つものであり、演算処理の正確さと再現性とを保証するという利点を有している。
【０００４】
しかしながら、従来のデジタル計算機は、上述したような利点を有する一方で、設計者の想定し得る事態にしか対処することができないという「硬さ」を有しており、人間の脳で行われているような「柔らかな情報処理」を行うことが困難であるという問題点を有している。
【０００５】
このような背景の下で、近年、タンパク質や酵素等の生体高分子や細胞等の生物由来の素材を素子として用いる情報処理システム（いわゆる「バイオコンピュータ」）への関心が高まっている。
【０００６】
このような関心の高まりの第一の側面は、分子サイズの素子の超高度集積性を活かし、膨大な計算リソースを要する問題をより効率的に処理することができるという優位性である。なお、これに特化したアプローチとしては、例えばＤＮＡ計算等が挙げられる。
【０００７】
第二の側面は、生物由来の素子が持つ刺激応答特性（時と場合とに応じた可変的な応答特性）による、上述した「柔らかな情報処理」の実現可能性である。すなわち、実世界の環境中に置かれる自律的ロボット等のようなシステムを設計する設計者が抱える問題（「設計者の想定外であった事態の発生にも柔軟に対処できる能力をいかにして装備し得るのか」という、従来型のデジタル計算機の範疇ではその解決が絶望視される問題）に対して解決の糸口が与えられるのではないかとの期待がある。なお、このような期待に関しては、一般に生物はこの問題を既に解決できているシステムであるという経験的事実が、その素朴な論拠となっている。
【０００８】
しかしながら、このような関心の高まりにもかかわらず、「柔らかな情報処理」という表現は、未だ漠然とした標語の域を越えておらず、素子として利用可能な生物由来の素材に関して基礎的な研究がなされる段階に留まっている。具体的に研究されている代表的な素材としては、タンパク質や微小繊維等の微視的レベルの素材が挙げられるが、生物が実現する「柔らかさ」にアプローチするためには、そうした微視的な素材がそれらを統合する上位レベルの生体システム環境内に置かれた状態で発揮する機能性を、生体システム全体としての統合性が顕在化してくる細胞レベル等の巨視的スケールの視点から観察することも重要である。この種の研究として代表的なものには、単細胞アメーバ生物である真性粘菌（Physarum Polycephalum）の変形体（以下単に「真性粘菌」ともいう）に関する研究がある。真性粘菌は、高度に統合された情報処理を細胞(個体)レベルで実現できるにもかかわらず、極めて単純な構造をしており、その管理や実験操作等が比較的容易であることから、活発に研究が進められる対象の一つとなっている。この生物に関しては、次に述べるような研究が既に発表されている。
【０００９】
第一に、高松らは、疎水性樹脂で作製された微細構造内部に真性粘菌を配置し、その挙動を観察した。そして、真性粘菌の厚みは周期的に収縮振動することが知られているが、この振動の時空間パターンが、細胞を格納する微細構造の形状に依存して変化することを報告した（非特許文献１参照）。しかしながら、この研究はそもそも、真性粘菌の挙動特性に関する生物学的興味から進められたものに過ぎず、情報処理デバイスの構築等といった応用的側面に言及するものではない。
【００１０】
第二に、田中らは、真性粘菌の光刺激による挙動の変化を観察した。そして、真性粘菌の局所部位に対して、光の強度を細胞の収縮振動の周期に応じてリアルタイムに変化させながら照射すると、相互引き込みが起こり、引き込まれた振動パターン特性に応じて、局所部位を成長又は縮退させることが可能であることを報告した（非特許文献２）。しかしながら、この研究も上記非特許文献１に記載のものと同様に、応用的側面に言及するものではない。
【００１１】
第三に、青野らは、障壁で囲まれた回路内に配置した真性粘菌の成長又は縮退を、忌避刺激である光の照射により制御することで実現される、新規な並列情報処理のプランを提案した（非特許文献３）。この研究で提案された情報処理原理は、ある初期状態から開始される計算過程が最終的にある固定した終了状態(安定定常状態)に到達して停止できることを前提として設計されている。しかしながら、同著者らがその後新たに構築した実験系においては、真性粘菌は生命活動が停止しない限り固定した形状に留まることなく変形運動し続けることが観察されたため、上述した前提は成り立たず、従って、上述したような情報処理原理の下で固定した終了状態を計算結果として得る、という目的も根本的に達成し得ないことが分かっている。事実、同著者らはこの原理を忠実に継承する形で発展させた情報処理原理をその後提案しているが(非特許文献５)、当該システムにおいて粘菌の運動が停止しなかった場合には、目的とするシステム全体としての計算過程は、無限ループ状態となり、結局のところ計算過程が停止できないことが判明している。
【００１２】
第四に、津田らは、疎水性樹脂を所定の形状に成形することにより得られた障壁で囲まれた回路内部で真性粘菌を成長させることにより、通過／不通過を１／０としてコードする方式の論理ゲート（ＡＮＤ）を構成できることを実験的に示した（非特許文献４）。しかしながら、一般に論理ゲートを組み合わせて意味のある情報処理を実行するためには、複数のゲートを多数配置する必要があるが、この方式のゲートを複数組み合わせた場合には、全体としての挙動の整合性が損なわれてしまうという根本的問題があり、実用的な情報処理システムを実現することが困難であるという問題がある。
【非特許文献１】Takamatsu, A., Tanaka, R., Yamada, H., Nakagaki, T., Fujii, T., Endo, I., 2001. Phys. Rev. Lett. 87, 078102.
【非特許文献２】Tanaka, J., Miyake, Y., 2000. Proceedings of the SICE 2000 Conference, vol. 212A-4. The Society of Instrument and Control Engineers, SICE 2000-The 39th Annual Conference, Iizuka, Japan.
【非特許文献３】Aono, M., Gunji, Y.-P., 2003. Biosystems 71, 257-287.
【非特許文献４】Tsuda, S., Aono, M., Gunji, Y.-P., 2004. Biosystems 73, 45-55.
【非特許文献５】Masashi Aono and Yukio-Pegio Gunji, "Material Implementation of Hyperincursive Field on Slime Mold Computer", COMPUTING ANTICIPATORY SYSTEMS: CASYS'03 - Sixth International Conference, AIP Conference Proceedings 718, pp. 188-203, Published August 2004.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述したように、生物由来の素材を素子とする情報処理システムを構築することで、「柔らかな情報処理」が実現されることが期待されているが、それを実現する具体的システムは未だ報告されていない。
【００１４】
本発明はこのような背景の下でなされたものであり、協同現象を示す細胞内又は細胞間の相互作用を利用して既存のデジタル計算機等による情報処理方式とは全く異なる新規な情報処理方式で実行される情報処理システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、協同現象を示す細胞内又は細胞間の相互作用を利用して各種の情報処理を行う情報処理システムにおいて、協同現象を示す細胞又は細胞群と、細胞又は細胞群を収容してその活動空間を限定するための複数の凹区画を有する障壁装置と、障壁装置内に収容された細胞又は細胞群の現在の活動状態を監視する監視装置と、監視装置により監視された細胞又は細胞群のうち障壁装置の特定の凹区画に位置する部分の活動状態に応じて、細胞又は細胞群のうち障壁装置の特定の凹区画に関連する他の凹区画に位置する部分に対して所定の刺激を局所的又は全体的に付与する刺激付与装置とを備え、刺激付与装置は、障壁装置内に収容された細胞又は細胞群の活動により生じる時空間的な振動パターンが複数の定常状態(不安定定常状態も含む)又は安定状態（安定振動状態も含む）をとり、かつ、細胞又は細胞群が、各定常状態又は各安定状態の間で、細胞内又は細胞間の相互作用を介して遷移するよう、細胞又は細胞群に対して所定の規則に従って刺激を付与することを特徴とする情報処理システムを提供する。
【００１６】
なお、本発明の一態様において、細胞又は細胞群は、障壁装置の各凹区画に沿ってその形状を任意に変化させることが可能なアメーバ様細胞又はアメーバ様生物（例えば、その活動の時空間的な振動パターンの変化に伴ってアメーバ運動し、これに伴ってその先端部が変形を繰り返す真性粘菌の変形体等）である。
【００１７】
また、本発明の一態様において、監視装置は、アメーバ様細胞又はアメーバ様生物の活動により生じる時空間的な振動パターンの変化に伴ったアメーバ運動により引き起こされる全体形状の変化に基づいて当該アメーバ様細胞又はアメーバ様生物の現在の活動状態を監視する。
【００１８】
さらに、本発明の一態様において、障壁装置は、アメーバ様細胞又はアメーバ様生物の活動空間を限定する複数の凹区画として、中央凹部と、この中央凹部から放射状に延びる複数の通路とを有する。
【００１９】
さらに、本発明の一態様において、刺激付与装置は、アメーバ様細胞又はアメーバ様生物の縮退を促すことが可能な忌避刺激である光を照射する光照射装置を有する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、協同現象を示す細胞又は細胞群を素子として用い、障壁装置内に収容された細胞又は細胞群の活動状態を監視するとともに、その監視された細胞又は細胞群の現在の活動状態に応じて、所定の規則に従って細胞又は細胞群の活動状態を統御する刺激を局所的又は全体的に付与するようにしているので、細胞又は細胞群の活動状態に応じて刺激の付与パターンが変化し、その刺激の付与パターンによってさらに細胞又は細胞群の活動状態が変化する、というようなフィードバックループの過程として、情報処理を実行させることができる。そして、細胞又は細胞群に対して刺激を付与する規則を適宜設定することにより、細胞又は細胞群が、複数の定常状態(不安定定常状態も含む)又は安定状態(安定振動状態も含む)のうちの特定の定常状態又は安定状態の間で、細胞内又は細胞間の相互作用を介して遷移することが可能となるので、いわゆる連想想起処理や自律的推論処理を実行させることができる。
【００２１】
このとき、細胞又は細胞群の活動のゆらぎに伴った統合的な全体特性の変化により、刺激に対する個々の素子（細胞又は細胞群を構成する個々の要素）の応答特性が変化して規定事項から逸脱することがあり得る。ここで、既存のデジタル計算機等のような情報処理システムにおいて、その素子の刺激応答特性が変化して規定事項を逸脱した場合、システムは機能不全を起こしてしまうか、あるいは、単に誤った計算結果が出力されるのみである。しかしながら、本発明における素子の応答特性の変化は、細胞又は細胞群の全体にとっての何らかの合理性を有する挙動をもたらすべく生じる。あるいは、何らかの合理性を有する挙動を実現しようとする細胞又は細胞群の全体が、素子にその応答特性を変化するように要請することで生じる。このため、細胞又は細胞群の全体にとっての合理性と使用者が望む大まかな結果とを一致させる形で、刺激を付与する規則を設計することにより、あらかじめ定義された応答は逸脱しつつも、使用者にとっての何らかの利益が最適化された結果を出力することが可能となる。具体的には、刺激を付与する規則を、「設計者にとって望ましい処理結果がもたらされるシステム全体の状態は、細胞又は細胞群の全体にとってもまた望ましい何らかの合理性が保証されるような活動状態(例えば全体としてより多くの栄養源を吸収できる状態等)であって両者の利害は大まかには一致する」、というような形で設定することにより、使用者の想定外であった事態の発生に伴う不測の刺激の付与に対しても、素子がこれに撹乱されて、「規定事項に忠実ではあるが、システム全体にとっての合理性を損うような応答」に陥ることなく、「規定事項を逸脱する形で変化してはいるものの、望ましい処理結果の出力をもたらすような応答」を実現するような柔軟な情報処理システムを構築することができる。
【００２２】
ここで、このようにして構築される情報処理システムにおいて、最終的に導きたい結論を表現する状態と、その推論過程で満たされる幾つかの条件とを所与のものとしているが、具体的な推論過程を未知としているような場合であれば、結論を表現する状態が細胞又は細胞群にとってもまた望ましい何らかの合理性が保証される活動状態であり、かつ、満たされる条件が刺激を付与する規則によって表現されるような形で、そのシステムを設計しておけばよい。これにより、細胞又は細胞群が自律的に合理的な状態へ到達しようと活動を開始して、最終的にそれを達成するに至る過程として、使用者の求める推論過程を順次出力していくような、自律的思考能力を備えた情報処理システムを構築することができる。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００２４】
まず、図１により、本発明の一実施形態に係る、協同現象を示す細胞又は細胞群を用いた情報処理システムの全体構成について説明する。なお、本実施形態においては、協同現象を示す細胞又は細胞群として、アメーバ様細胞の一種である真性粘菌の変形体（以下単に「真性粘菌」ともいう）を用いる場合を例に挙げて説明する。
【００２５】
図１に示すように、本実施形態に係る情報処理システム１は、真性粘菌の変形過程を利用して各種の情報処理を行うリアルタイムフィードバックシステムであり、障壁装置１０、ビデオカメラ２１、パーソナルコンピュータ２２、プロジェクタ２３及び透過光面パネル２５を備えている。
【００２６】
このうち、障壁装置１０は、図２に示すように、真性粘菌１５を収容してその活動空間を限定するための複数の凹区画を有するものであり、寒天培地１４と、寒天培地１４上に配置された障壁板１１とを有している。ここで、障壁板１１は、真性粘菌１５の活動空間を限定するバリア（障害物）であり、障壁部１２として、中央凹部１２ａと、中央凹部１２ａから放射状に延びる複数（図２では８つ）の通路１２ｂとを有している。なお、障壁板１１は、真性粘菌１５の進出を阻害する疎水性の構造物であり、例えば、エポキシ樹脂製の板材にフォトリソグラフィ法等により障壁部１２に相当する部分を形成した後にその表面を金でコーティングすることにより作製したものを用いることができる。
【００２７】
ビデオカメラ２１は、障壁装置１０の障壁部１２内に収容された真性粘菌１５の全体形状を撮像して画像を取得するためのものである。ここで、ビデオカメラ２１は、障壁装置１０の障壁部１２の全体を撮像することができるようにその位置関係が決められている。なお、ビデオカメラ２１には、撮像された画像を拡大するための撮像画像拡大用レンズ（図示せず）が設置されている。
【００２８】
パーソナルコンピュータ２２は、ビデオカメラ２１により撮像された画像をリアルタイムで解析して真性粘菌１５の現在の変形状態（活動状態）を取得するとともに、この取得された真性粘菌１５の現在の変形状態に応じて、所定の規則に従って真性粘菌１５に照射される光の照射パターンを決定してプロジェクタ２３を制御するためのものである。なお、パーソナルコンピュータ２２により得られた解析結果等は、そのモニタ上で表示される。
【００２９】
プロジェクタ２３は、パーソナルコンピュータ２２により決定された光の照射パターンに基づいて、真性粘菌１５の縮退を促すことが可能な忌避刺激である光を局所的に照射する光照射装置である。ここで、プロジェクタ２３は、障壁装置１０の障壁部１２へ向けて光を照射することができるようにその位置関係が決められている。なお、プロジェクタ２３には、投影される画像を縮小するための投影画像縮小用レンズ（図示せず）が設置されている。
【００３０】
ここで、ビデオカメラ２１及びパーソナルコンピュータ２２により、障壁装置１０内に収容された真性粘菌１５の現在の活動状態を監視する監視装置が構成されている。また、プロジェクタ２３及びパーソナルコンピュータ２２により、この監視装置により監視された真性粘菌１５のうち障壁装置１０の特定の通路１２ｂに位置する部分の活動状態に応じて、真性粘菌１５のうち障壁装置１０の特定の通路１２ｂに関連する他の通路１２ｂに位置する部分に対して、真性粘菌１５の活動状態を統御する所定の刺激を局所的又は全体的に付与する刺激付与装置が構成されている。
【００３１】
透過光面パネル２５は、障壁装置１０内に収容された真性粘菌１５を照明するよう障壁装置１０の下面側に設けられたものであり、ビデオカメラ２１により撮像する際に用いられる透過光として面内にて均一に散乱された光が出射されるように構成されている。なお、透過光面パネル２５には、光源ランプ（図示せず）が設けられている。また、この光源ランプには、真性粘菌１５の挙動に影響を与えない黄色い波長（６００ｎｍ付近）のみを通過させるバンドパスフィルター（図示せず）が設置されている。
【００３２】
なお、真性粘菌１５が収容された障壁装置１０、透過光面パネル２５、ビデオカメラ２１及びプロジェクタ２３等の装置は、恒温恒湿槽(温度と湿度とが一定に保たれた槽)内に設置されている。
【００３３】
ここで、障壁装置１０の障壁部１２内に収容された真性粘菌１５は、アメーバ運動に伴ってその先端部が変形を繰り返すアメーバ様細胞であり、障壁装置１０の障壁部１２（中心凹部１２ａ及び通路１２ｂ）に沿ってその形状を任意に変化させることが可能である。より具体的には、真性粘菌１５は、その本体構造が主として細胞膜（細胞外ゲル層）と細胞内流体（原形質ゾル）とからなる、巨大な多核単細胞生物である。このような真性粘菌１５は、中枢神経系のような高度に分化した構造がないにもかかわらず、統合的な情報処理能力を呈する。この点につき、中垣らは、真性粘菌が最も効率良く餌を吸収するように変形することで、２つの餌の間の最短経路が結ばれ、これによって、迷路の問題を解決することができることを見出した（文献「Nakagaki, T., Yamada, H. and Toth, A. Maze-solving by an amoeboid organism. Nature407, 470 (2000).」及び文献「Nakagaki, T., Yamada, H. and Hara, M. Smart network solutions in an amoeboid organism. Biophys. Chem. 107, 1-5 (2004).」参照）。このような真性粘菌の運動においては、１〜２分の周期で生じるアクトミオシン繊維の周期的な収縮振動が重要な役割を果たしている。原形質の流出及び流入を伴う細胞膜の収縮（原形質往復流動）（流動速度：〜１ｍｍ／秒）は、真性粘菌の形状の変化に影響を与える。さらに、アクトミオシン繊維群の集団的な振動同調は、繊維場に位相波を発生させる。そして、局所的な部分で受容した刺激（すなわち、化学物質、温度及び光等の刺激）に関する情報(方向や強度)は、以上のようにして発生した位相波を伝播させることにより真性粘菌の体全体に伝達される。しかしながら、真性粘菌が、その偏在する局所的な部分で受容した複雑（かつ時に対立する）情報をどのようにして統合して合理的な意思決定を行っているのかについての詳細なメカニズムは、現時点では解明されていない。なお、真性粘菌の詳細については、例えば文献（“Matsumoto, K., et al. Propagation of Phase Wave in relation to Tactic Responses by the Plasmodium of Physarum polycephalum, J.theor.Biol. (1986) 122, 339-345”）に記載されている。
【００３４】
このような真性粘菌１５は通常、障壁装置１０の寒天培地１４上にてその平面的な形状を変化させながら、約１ｃｍ／時の最大速度で自由に移動する。このとき、障壁装置１０の障壁板１１は、寒天培地１４上での真性粘菌１５の活動領域を制限するための障壁部１２として、中央凹部１２ａから放射状に延びる８つの通路１２ｂを有しているので、真性粘菌１５の活動空間は中央凹部１２ａ及び８つの通路１２ｂ内のみに限定されることとなる。
【００３５】
ここで、本実施形態に係る情報処理システム１で採用されている障壁装置１０の形状は、後述するようなホップフィールド型ニューラルネットワークモデルを実現するためのものであり、障壁部１２の各通路１２ｂがニューラルネットワークモデルの各ノードに対応するものとして、障壁部１２のｉ番目の通路１２ｂ（通路ｉ）を「ニューロンｓｉ（ｉ∈Ｉ＝｛１，２，…，Ｎ＝８｝）」と呼ぶものとする。また、時刻ｔにおける各ニューロンｓｉについて、通路ｉの所定部分（例えば１／４）以上が真性粘菌１５の枝分かれした部分で占有されているときは状態“１”（アクティブ）が割り当てられてｓｉ（ｔ）＝１となり、そうでなければ、状態“−１”（非アクティブ）が割り当てられてｓｉ（ｔ）＝−１となるものとする。
【００３６】
なお、障壁部１２の各通路１２ｂにて活動（前進運動／後退運動）を行う真性粘菌１５は、光を嫌うので、パーソナルコンピュータ２２及びプロジェクタ２３からなる刺激付与装置により、真性粘菌１５の先端部に光を照射して刺激を局所的に付与すると、その先端部は光を避けるようにして後退する。この点につき、Ｕｅｄａらは、光受容体としてのフラビンが一連の細胞内事象を誘起し、その結果、細胞膜の収縮により、光が照射された領域から原形質ゾルが押し出されるものと推測している（文献「Ueda, T., Mori, Y., Nakagaki, T. and Kobatake, Y. Action spectra for superoxide generation and UV and visible light photoavoidance in plasmodia of Physarum polycephalum. Photochem. Photobiol. 48, 705-709 (1988).」参照）。このような応答反応（光回避反応）のために、特定のニューロンｓｉに対応する通路１２ｂに光を照射することにより、当該ニューロンｓｉの状態を“−１”とすることができる。なお、ニューロンｓｉに対して光が照射されることは、ｌｉ（ｔ）＝１として記述される。逆に、ニューロンｓｉが状態“１”をとることが許される場合には、光は照射されず、ｌｉ（ｔ）＝−１となる。ここで、真性粘菌１５は基本的に放射状すなわち同心状に成長するので、このような場合、ｉ番目の通路１２ｂは十分に占有されることが期待される。
【００３７】
従って、ある時刻ｔにおける真性粘菌１５の形状に応じた各ニューロンｓｉの状態で規定されるシステムの状態（＜ｓ１，ｓ２，…，ｓＮ＞）は、照射パターン（＜ｌ１，ｌ２，…，ｌＮ＞）を決めて光による刺激を付与すると、これに応じるようにして真性粘菌１５の形状が変化することにより、全てのニューロンｓｉが反作用則ｓｉ（ｔ）＋ｌｉ（ｔ）＝０を満足できるような状態に達しようと、いくらかの遅延時間後に更改されることとなる。さらに、上述した光の照射パターン（＜ｌ１，ｌ２，…，ｌＮ＞）は、ある単位時間ごとにシステムの状態（＜ｓ１，ｓ２，…，ｓＮ＞）を参照し、ある所定の規則（この規則が計算処理規則を表現する）に従って更新されるものとする。すなわち、真性粘菌１５の形状の変化に応じて光の照射パターンが変わり、その光の照射パターンに応じるように真性粘菌１５が更なる変形を遂げる、というような過程が繰り返されるフィードバックループとして、システムの状態（＜ｓ１，ｓ２，…，ｓＮ＞）と光の照射パターン（＜ｌ１，ｌ２，…，ｌＮ＞）とが共に単位時間ごとに更新され続けることで、情報処理システム１の計算処理は進行していく。
【００３８】
ここで、光の照射パターン（＜ｌ１，ｌ２，…，ｌＮ＞）を更新する計算処理規則としては、もちろん任意の状態遷移規則を用いることができる。この計算処理規則として、具体的に本実施形態では、ホップフィールド型ニューラルネットワークモデルを採用した。このニューラルネットワークモデルは、図５に示すように、各ノードが重み付きのリンクを介して全ての他のノードに接続された相互接続ネットワークであり、連想記憶のための装置として動作する。図５で示されるシステムの状態は、本実施形態の設定では、図４（ａ）で示されるような真性粘菌１５の形状によって表現される。ただし、ハッチが付されたノード２、４、６、８はアクティブ状態を、ノード１、３、５、７は非アクティブ状態を表す。具体的には、ニューロンｓｊからニューロンｓｉへのリンクの重みがｗｉｊとして示されるとき、このニューラルネットワークモデルは、次式（１）の時間発展式により表される。
【数１】
2006338515.tif 000003
【００３９】
ここで、Δｔは単位時間間隔であり、閾値の関数ｆは次式（２）により与えられる。なお、閾値の定数θはθ＝０と与えられる。
【数２】
2006338515.tif 000004
【００４０】
元々のニューラルネットワークモデルにおいて、ネットワークのダイナミクスは上式（１）の左辺をｓｉ（ｔ＋Δｔ）（すなわち、反作用則が先験的に満たされるものとする）に置き換えることにより定義されている。そして、与えられたＭ個の記憶パターンについて、各重みｗｉｊは、全ての記憶パターンがネットワークのダイナミクスの定常状態（固定点）をとるように、ｗｉｊ＝ΣｋＭｍｉｋｍｊｋ（ｉ≠ｊの場合）（そうでない場合には、ｗｉｊ＝０）により決定される。ただし、ｋ番目の記憶は＜ｍ１ｋ，ｍ２ｋ，…，ｍＮｋ＞（ｍｉｋ∈｛１，−１｝、ｋ∈｛１，２，…，Ｍ）として表される。
【００４１】
ここで、ある初期の入力パターン(システムの状態)から計算を開始し、システムの状態が、ネットワークのある定常状態である状態＜ｓ１（ｔ），ｓ２（ｔ），…，ｓＮ（ｔ）＞＝＜ｍ１ｋ，ｍ２ｋ，…，ｍＮｋ＞に到達したときに、初期の入力パターンから記憶パターン＜ｍ１ｋ，ｍ２ｋ，…，ｍＮｋ＞が連想想起されたことになる。従って、このニューラルネットワークモデルを形式的に(例えば従来型のデジタルコンピュータで)シミュレートした場合、一回の試行につき一つの記憶パターンのみが想起される。
【００４２】
本実施形態においては、その動作が視覚的かつ直感的に理解し易いような比較的単純な計算処理規則を得る目的で、各重みｗｉｊを具体的に次式（３）のように定義してこれらを上式（２）とともに上式（１）に代入することで、あるひとつの状態遷移規則を決定し、これに基づく計算処理を実施している。
【数３】
2006338515.tif 000005
【００４３】
以下で説明するこの規則を、ここでは便宜的に「側方抑制規則」と呼ぶことにする。
【００４４】
図３に示すように、この側方抑制規則に従えば、障壁装置１０の障壁部１２の８本の通路１２ｂのうち特定の通路ｉにおいて真性粘菌１５の先端部が延びることで通路ｉに対応するニューロンｓｉがアクティブ（ｓｉ（ｔ）＝１）となる場合には、その隣接する通路ｉ、ｉ−１に対応するニューロンｓｉ−１、ｓｉ＋１は、光の照射（ｌｉ−１（ｔ＋Δｔ）＝ｌｉ＋１（ｔ＋Δｔ）＝１）によって非アクティブとされる。言い換えれば、この側方抑制規則は、隣接する２つのニューロンｉ、ｉ−１が同時に状態“１”をとることを禁止することを規定するものである。ここで、この側方抑制規則は、全ての通路ｉについて同時に適用されるものであり、その境界条件は周期的である。なお、図３において、符号３１は粘菌進入指標であり、隣接する通路ｉ−１及び通路ｉ＋１に対して光が照射される原因となる通路ｉを示している。また、符号３３は光照射領域を示している。
【００４５】
真性粘菌１５は、上述したフィードバックループの過程で変形を繰り返すこととなるが、上述した反作用則（ｓｉ（ｔ）＋ｌｉ（ｔ）＝０）と側方抑制規則（ｓｉ（ｔ）＝１のとき、ｓｉ−１（ｔ）＝ｓｉ＋１（ｔ）＝−１）との両方が全てのニューロンｓｉについて満たされているような形状に到達したとき、はじめてその形状変化を停止し定常状態(安定状態)をとることができる。なぜなら、このときに真性粘菌１５はその各先端部を、光が照射されている通路内では完全に縮退させ、光が照射されていない通路内では完全に成長させることができており、これ以上の光刺激によって変形することを強いられずに済むからである。このような形状がシステムの格納している記憶パターンに対応し、図４で示されるように１０通り存在する。言い換えれば、側方抑制規則は、これら１０通りの状態パターンを、記憶パターンとしてのシステムの定常状態とするような規則として、定義されたのである。すなわち、これらのいずれかに到達したとき、システムは一つの記憶パターンを想起できたことになる。具体的には、情報処理システム１は、図４（ａ）（ｂ）に示すような２つのＸ字型のパターン（パターン＜−１，１，−１，１，−１，１，−１，１＞又はその１つの回転対称なパターン）と、図４（ｃ）〜（ｊ）に示すような８つのＹ字型のパターン（パターン＜１，−１，−１，１，−１，１，−１，−１＞又はその７つの回転対称なパターン）とを含む１０通りの記憶パターンのうちのいずれかを、入力された初期の状態パターンに応じて想起することができる。
【００４６】
以上のようなニューラルネットワークモデルを実現する本実施形態に係る情報処理システム１において、真性粘菌１５は、その内部の高分子（アクトミオシン繊維）の相互作用により協同現象（真性粘菌１５の厚みの周期的な収縮振動が全域で同期し、秩序だった位相波が真性粘菌１５全体へ伝播する現象）が生じ、真性粘菌１５の枝分かれした先端部同士が互いに干渉し合いながら並列非同期的に変形する。
【００４７】
そして、このような真性粘菌１５の変形過程を用いれば、各々の状態パターンに近いけれども詳細が不完全であるような状態パターン（初期状態）を入力することにより、当該初期状態に対応する完全な状態パターンを出力するという、いわゆる連想記憶処理を行うことができるだけでなく、そうしてひとつの記憶パターンを想起した後、さらに別の記憶パターンを探索し、これを想起することが可能である。この機能が本実施形態に係る情報処理システム１の優位性である。
【００４８】
詳しく説明すると、真性粘菌１５は、ひとたび光の照射を回避できるような記憶パターンに到達すると、しばらく安定的にその形状に留まった後、自らその先端部を光の照射されている通路内に進入させることで、再び光の照射を誘発して自らの安定的な形状を不安定化させる。すなわち、外部刺激による誘導をしなくとも自発的に一度想起した記憶パターンを自ら破壊して、再び別の記憶パターンの探索を開始する。これは、真性粘菌１５が、現状の記憶パターンに留まっていたところで餌にありつくことはできず、一時的に光の照射を受けるリスクを冒してでも、もしかすると餌を獲得できるかもしれない別の形状に変形した方がベターであると判断するためであるように見受けられる。その結果、真性粘菌１５は、試行錯誤の末、別の記憶パターンに到達する。このようにして記憶想起と記憶破壊とを交互に繰り返していことで、外部からの人為的な刺激付与によってそう仕向けている訳ではないにもかかわらず、自発的に複数の記憶パターンを次々に想起していくことができる。このような特性を活用することで、将来本実施形態に係る情報処理システム１をより発展させたシステム、例えばニューロン(この場合、もはやニューロンと呼ぶ必要はなくプロセッサと呼ばれる凹区画)の数や各プロセッサのとることができる状態数を増やして計算処理規則をより複雑化したシステムにおいては、柔軟な自律的推論処理が実行可能であるものと見込まれる。
【００４９】
以下では、本実施形態に係る情報処理システム１における新規な並列情報処理方式について述べる。障壁部１２の一つの通路１２ｂ内における真性粘菌１５の枝分かれした先端部の成長又は縮退の完了を、一つのプロセッサが実行する単位処理であると考えると、本実施形態に係る情報処理システム１には、全てのプロセッサが単位処理を同期して実行できるように全体のタイミングを統制するマスタークロックが設置されていない。このことは、複数のプロセッサにより複数の処理を並列的に実行する従来の情報処理システムにおいては必ず何らかのタイミング統制機構が与えられているということとは対照的である。なお、本実施形態に係る情報処理システム１において、マスタークロックの不在は、真性粘菌１５の複数の先端部が障壁部１２の各々の通路１２ｂに進入するタイミングが常にずれるという事態をもたらす。このため、真性粘菌１５のうち最も早く成長する先端部が存在し、これが光が照射されない条件で対応する通路１２ｂに進入することができる一方で、その両隣の通路１２ｂへ進入しようとする先端部の前進運動は光の照射によってブロックされる(図６（ｂ）参照)。こうした非同期性が記憶の効率的な探索に寄与することとなる。逆にもし仮に真性粘菌１５の全ての先端部が完全に同期して前進運動を行った場合、全ての通路１２ｂに対して光が照射された状態で全ての先端部同士が互いに互いをブロックすることとなり、システムは一種のデッドロック状態に陥るが、実際にはこうした事態は発生しない。事実、隣接した通路１２内の先端部同士が互いにブロックしあう関係になったときでも（図６（ｃ）（ｅ）参照）、真性粘菌１５のうち成長または縮退する先端部の速度と方向が互いに異なるので、試行錯誤を経た後、適切なものが優先的に通路１２ｂを占有する結果となる（図６（ｄ）（ｆ）参照）。すなわち、細胞又は細胞群のようなゆらぎを伴った生物素材をプロセッサとして用いる情報処理においては、通常同期した並列処理が困難であることが克服すべき課題とされることが多いが、本実施形態に係る情報処理システム１は、並列処理が同期しないことをむしろ必要とし、非同期性をもたらす生物素材ならではのゆらぎを有効活用する、新規な並列情報処理システムである。さらに、このような多数のプロセッサにおける多数の単位処理が、時間的かつ空間的に明確に分離されることなく重畳的に実行されるので、本実施形態に係る情報処理システム１は、従来型の並列非同期処理（すなわち、他のプロセッサをアイドル状態にしておいて、一つのプロセッサが単位時間内に単位処理を他とは独立して実行する）とも異なる、新規な並列情報処理方式に基づいている。
【００５０】
以下では、人工素材ではなく生物素材である細胞又は細胞群を情報処理デバイスとして用いる利点について説明する。
【００５１】
生物素材からなる素子は、人工素材からなる素子とは異なり、そのゆらぎを伴った活動特性ゆえに、規定通りの挙動を実行させるための制御刺激に対する応答特性が変化してしまうため、規定事項を逸脱することを完全に排除できない。もちろん、こうした規定事項からの逸脱、すなわち、部分的な素子の誤作動は、部分的な素子による規定に忠実な挙動の集積としてシステム全体の正しい情報処理動作を実現する、といった従来型のデジタルコンピュータのようなシステムにおいては、システム全体が機能不全を起こしてしまうか、あるいは単に誤った計算結果が出力されてしまう、といった否定的な帰結しかもたらさない。すなわち、部分における規定事項からの逸脱は、全体における不都合をもたらす。これに対し、本発明で採用されている協同現象を示す細胞又は細胞群を情報処理デバイスとして用いた場合には、部分における規定事項からの逸脱が、全体における好都合をもたらすといった肯定的な帰結、すなわち、「柔らかな情報処理」を担い得る。これは、部分における規定事項の逸脱が、必ずしもシステムの他の部分との相互作用から切り離された形で独立に発生する訳ではなく、むしろこうした相互作用の結果生じるシステム全体の統合的全体特性が、システム全体にとっての好都合を優先させるために、当該部分が規定事項から逸脱するように仕向ける、といった場合があり得るからである。実際、本実施形態に係わる情報処理システム１においては、真性粘菌１５が、一つの記憶パターンに対応する形状をとった後、真性粘菌１５の枝分かれしたいくつかの先端部を光の照射された通路に進入させることによって、自発的に一旦想起された記憶パターンを破壊する。こうした挙動は、真性粘菌１５の先端部は光刺激に対して回避応答を示さねばならないという規定事項を逸脱するものである。しかしながら、こうした部分における逸脱が、一旦想起された記憶パターンの破壊後に次なる記憶パターンの探索を誘発し、結果として複数の記憶パターンを次々に想起できる、といった肯定的な帰結をもたらす。このとき、真性粘菌１５の全体は、一つの記憶パターンに対応する形状に静的に留まったままでいるよりも、一時的にその先端部が忌避刺激である光に照射されるというリスクを冒してでも他の形状に変形した方が、食物を獲得できる可能性が高くなるといった、全体の好都合を優先させる判断を下しているように見受けられる。このことは、真性粘菌１５のある一つの先端部による光刺激への回避応答の逸脱、すなわち光の照射された通路へあえて進入していくという挙動は、必ずしもその先端部が他の部分との相互作用を介さずに独立に挙動できるものではなく、相互作用の結果生じる真性粘菌１５全体の統合的全体特性が、これを積極的に支援することではじめて実現する、という事実に依拠する。
【００５２】
以下では、この事実を裏付ける実験データに関して説明する。この点に関し、真性粘菌１５の先端部が、その通常の光回避反応にもかかわらず、どのようにして、光が照射されている通路１２ｂに進入するのかを調査するために、真性粘菌１５の厚みについての時空間的な振動パターン（厚みの振動振幅）に注目した。なお、以下の説明では、図６、図７及び図８を適宜参照して説明しているが、その詳細については、後述する［実施例］の（実験結果）も参照されたい。
【００５３】
具体的には、ビデオカメラ２１により取得された画像につき、それぞれの局所的な振動子（画素）の位相を２つの位相、すなわち上向き位相（緩和位相）及び下向き位相（収縮位相）の２つの位相に二値化すると（図６参照）、位相波が真性粘菌１５の全体に活発に伝播することを観察することができる。
【００５４】
なおこのとき、ビデオカメラ２１により撮像された画像（二値化画像）はパーソナルコンピュータ２２により解析され、二値化画像内の各画素（振動子）において、対応する領域の真性粘菌１５の垂直方向の厚み（光の強度から測定されたもの）が４２秒前（この間隔は、最も良好なコントラストの画像を与えるものである）に記録された画像と比較して増加／減少したか否かを判断し、異なる色（赤色／青色）等により区別した。なお、図６の白黒表示では、赤色がより薄い灰色、青色がより濃い灰色として表示されている。なお、図６に示す二値化画像は等高線図ではなく、各画素（振動子）は、小領域での振動が上向き（緩和）であるか下向き（収縮）であるかによって異なる色（赤色／青色）によって区別した。また、障壁装置１０の障壁部１２の各通路１２ｂ（ニューロンｉ）及び中心凹部１２ａ（円板状中心部ｃ）について、真性粘菌１５の占有面積ａｉ（ｔ），ａｃ（ｔ）∈［０，１］を、ａｉ（ｔ），ａｃ（ｔ）＝「（対応する領域内の赤色又は青色の画素の数）／（対応する領域内の白色を含む全て画素の数）」として定義した。これらのａｉ（ｔ），ａｃ（ｔ）については、より高次の高調波が移動平均法により除去された平滑化データを図７に示した。
【００５５】
真性粘菌１５のニューロンｓｉに位相波が出たり入ったりすると、障壁部１２のｉ番目の通路１２ｂ（ニューロンｓｉ）における全ての振動子に対する上向き位相の振動子の比が、時間の関数として振動することとなる。このような比は、障壁部１２の通路１２ｂ（ニューロンｉ）及び中心凹部１２ａ（円板状中心部ｃ）について、上向き位相レベルｕｉ（ｔ），ｕｃ（ｔ）として計測することができる（図７参照）。
【００５６】
なおこのとき、障壁装置１０の障壁部１２の各通路１２ｂ（ニューロンｉ）及び中心凹部１２ａ（円板状中心部ｃ）についての上向き位相レベルｕｉ（ｔ），ｕｃ（ｔ）∈［０，１］を、ｕｉ（ｔ），ｕｃ（ｔ）＝「（対応する領域内の赤色の画素の数）／（対応する領域内の赤色又は青色の画素の数）」として定義した。ここで、上向き位相レベルｕｉ（ｔ），ｕｃ（ｔ）の振動は正弦波の合成により近似し、これによって、正弦波の振動の位相φｉ（ｔ），φｃ（ｔ）∈［０°，３６０°］を得た。なおここでは、逆位相同期（｜φｉ（ｔ）−φｃ（ｔ）｜＝１８０°）を強調するため、φｉ（ｔ）とφｃ（ｔ）との間の位相差を、ｄｉ（ｔ）＝１８０°−｜｜φｉ（ｔ）−φｃ（ｔ）｜−１８０°｜∈［０°，１８０°］として定義した。
【００５７】
この場合、真性粘菌１５内で生じた位相波は中心凹部１２ａ（円板状中心部ｃ）を通して伝播するので、ｕｉ（ｔ）とｕｃ（ｔ）とを比較することは合理的である。真性粘菌１５のうち枝分かれした部分が急激に成長すると、ｕｉ（ｔ）とｕｃ（ｔ）とで逆位相同期が行われる（図７参照）。この事実は図８（ａ）によって定量的に確かめられる。逆に、確実な順位相同期（すなわち、中心凹部１２ａ（円板状中心部ｃ）と各通路１２ｂ（ニューロンｉ）との間で位相波の伝播が行われない状態）は急激な成長を生じさせることができない。このことは、成長のための原形質の流動が、中心凹部１２ａ（円板状中心部ｃ）と各通路１２ｂ（ニューロンｉ）との間での収縮位相（張力）差によってもたらされる圧力差によって引き起こされるためである。ここで、真性粘菌１５における光回避反応は、光が照射される条件下での真性粘菌１５の先端部の急激な成長が、光が照射されていない条件下での成長よりも難しいことによって確認される。しかしながら、光が照射されている通路１２ｂにおいても、逆位相同期がまさに行われているときには（図８（ａ）参照）、急激な成長率は、光が照射されていない場合と同じである。この特性が、逆位相同期の存在下で急激に成長する真性粘菌１５の先端部によって行われる「光が照射されている通路への進入」において決定的に重要な役割を果たすものと見られる。このとき、真性粘菌１５の先端部の進入運動は、後述するように、真性粘菌１５の全体の特性に独立して生じる局所的な不規則性によるものではない。
【００５８】
真性粘菌１５の活動により生じる時空間的な振動パターンの全体の特性を定量化するため、個々の振動子の位相がその隣接した振動子の位相と同一であるような振動子の比を計測した（図６及び図７参照）。
【００５９】
なおこのとき、特定の画素及びそのムーア近傍の画素（所望の画素を取り囲む隣接した８個の画素）が全て同一の位相（色）である場合には、その画素は「局所的にコヒーレントである」と判断される。なお、全体的コヒーレンスｇ（ｔ）∈［０，１］は、ｇ（ｔ）＝「（回路内の全ての局所的にコヒーレンスの画素の数）／（回路内の全ての赤色又は青色の画素の数）」として定義した。
【００６０】
図６及び図７において、計測値ｇ（ｔ）は、全体の振動子場のコヒーレンスを定量化するものであり、相対的に多くの振動子が等しい周波数をとるときに高い値となる。図８（ｂ）に示すように、ｕｉ（ｔ）とｕｃ（ｔ）とが順位相又は逆位相で大きく同期しているときには、真性粘菌１５の振動の全体的コヒーレンスは高くなる。真性粘菌１５の先端部の光が照射された通路への進入は、従って、局所的に独立したものではあり得ず、コヒーレンスの高い振動を伴って全体的に支援されることで実現されるものと判断することができる。
【００６１】
しかしながら、全体的コヒーレンスの増加が原理的に、真性粘菌１５による記憶パターンの堅固な維持に貢献することも事実である（図８（ｃ）（ｄ））。言い換えれば、真性粘菌１５は、全体的に同調した振動パターンを形成することで光回避反応を実現することができる。コヒーレンスの促進は基本的に全体の光回避反応を促すけれども、局所的な逆位相振動が光が照射されている領域の手前で生じたときには、全体的コヒーレンスは局所的な部分の応答反応（光の照射による収縮性の傾向）を無効化し、さらなる進入運動を支援する。従って、真性粘菌１５の全体としての行動方針は、必ずしもいつも「部分から全体へ」という方式で全ての局所部分が光の照射から逃げるという希望を満足させる形で決定される訳ではない。別の言い方をすると、局所的な部分の進入運動は光回避反応に対する全体の意図を無効化する。真性粘菌１５の局所的な振る舞いは、このため、「全体から部分へ」という方式で全体の特性に依存して常に決定されている訳ではなく、全体から部分への強制力と部分から全体への強制力との混合（時々は調和しない）が真性粘菌１５の振る舞いを駆り立てていると結論付けることができる。なお、真性粘菌１５の水平方向の成長／縮退は比較的長い時間スケールで行われるが、局所的な部分の情報は、真性粘菌１５の垂直方向の厚みの振動に関しての短い時間スケールで全体的に伝達されるので、このような混合が可能であると推測される。
【００６２】
要するに、真性粘菌１５のある先端部が通常の光回避応答に反して光の照射された通路に進入していくという逸脱的な挙動は、その先端部と他の部分との相互作用とは無関係に単にその先端部の光受容性が鈍化しただけで生じるような類いのものではなく、真性粘菌１５の各所の相互作用によって生じたコヒーレンスの高い体全体に亘る振動パターンが、光の照射されている通路に位置する先端部に対してそこに進入していくことを強制することで実現するのである。従って、その部分は、全体の好都合を優先するために規定事項(光照射に対する回避応答)からの逸脱を成し遂げているのである。こうした全体に要請されて実現する部分における逸脱的挙動は、システム全体が時と場合に応じて規定事項の遵守を放棄できる必要がある「柔らかな情報処理」を、本発明の情報処理システムが実現できる可能性を担っているのである。
【００６３】
このように本実施形態によれば、協同現象を示す細胞である真性粘菌１５を素子として用い、障壁装置１０の障壁部１２内に収容された真性粘菌１５の現在の変形状態をビデオカメラ２１及びパーソナルコンピュータ２２によりリアルタイムで監視するとともに、その監視された真性粘菌１５の現在の変形状態に応じて、プロジェクタ２３及びパーソナルコンピュータ２２により、所定の規則に従って真性粘菌１５の変形状態を統御する忌避刺激である光を所定の照射パターンで局所的に照射するようにしているので、真性粘菌１５の変形状態に応じて光の照射パターンが変化し、その光の照射パターンによってさらに真性粘菌１５の変形状態が変化する、というようなフィードバックループの過程として、情報処理を実行させることができる。そして、真性粘菌１５に対する光照射規則を適宜設定することにより、真性粘菌１５が、複数の定常状態のうちの特定の定常状態の間で、真性粘菌１５内の相互作用を介して遷移することが可能となるので、自発的に、複数の状態パターン（記憶パターン）を順次想起することが可能となる。すなわち、真性粘菌１５の状態パターンが定常状態に到達しても、自己を不安定化させることによって定常状態を抜け出して再び他の状態の探索を開始することができるので、複数の状態パターン（記憶パターン）を順次想起していくことが可能となり、いわゆる連想想起処理や自律的推論処理を行うことができる。これに対し、従来のデジタル計算機では、例えばホップフィールド型ニューラルネットワークにより演算処理を行った場合でも、ひとたび定常状態に到達すると、そこから他の状態に遷移することはなく、別言すれば、一度に想起できる状態パターン（記憶パターン）はただ一つだけである。
【００６４】
なお、上述した実施形態においては、障壁装置１０の障壁部１２内に収容される協同現象を示す細胞又は細胞群として、細胞内の相互作用により協同現象が生じるアメーバ様細胞を用いる場合を例に挙げて説明したが、細胞内又は細胞間の相互作用により協同現象が生じるものであれば、これ以外の任意の細胞又は細胞群（例えば、細胞膜表面でカルシウムイオンの波を伝播する平滑筋細胞や血管内皮細胞や卵細胞、拍動リズムが同期する心筋細胞群、活動電位を伝播する網膜細胞群や神経細胞群、ｃＡＭＰの拡散により集合体を形成する多細胞アメーバ様生物である細胞性粘菌等）を用いることができる。
【００６５】
また、上述した実施形態においては、障壁装置１０の障壁部１２の各通路１２ｂ内にて活動する真性粘菌１５の厚みの振動振幅がある一定値を越える場合（真性粘菌１５が存在する場合）とそうでない場合とを区別することにより、障壁装置１０の障壁部１２の各通路１２ｂごとに少なくとも２つの状態（ｋ＝２）を取り得る素子を構成する場合を例に挙げて説明したが、各細胞又は細胞群（真性粘菌１５等）の時空間的な振動パターンが複数の定常状態（不安定定常状態も含む）又は安定状態（安定振動状態も含む）をとることができ、かつ、振動パターンを構成する周期や振幅、位相、伝播方向等の物理量が数値化及び離散化されて障壁装置の各凹区画で有限の状態（ｋ個）が取り得るのであれば、厚みの振動振幅以外の任意の物理量からなる振動パターンを利用して、障壁装置の各凹区画ごとに所望の素子を構成することができる。
【００６６】
さらに、上述した実施形態においては、障壁装置１０の障壁部１２が中央凹部１２ａ及びそれから放射状に延びる８つの通路１２ｂを有する構成をとる場合を例に挙げて説明したが、複数の凹区画をとる障壁構造であり、かつ、各凹区画に収容された細胞又は細胞群（真性粘菌１５等）の一部が一つの素子としての役割を担うことができるものであれば、目的に応じてこれ以外の任意の形状のものを用いることができる。
【００６７】
さらに、上述した実施形態においては、真性粘菌１５の現在の活動状態を監視する監視装置として、障壁装置１０の障壁部１２内に収容された真性粘菌１５の全体形状を撮像して画像を取得するビデオカメラ２１を用いているが、真性粘菌１５の現在の活動状態を検出することができるものであれば、これ以外の任意の状態検出装置（画像取得用カメラや電位取得用電極等の装置）を用いることができる。
【００６８】
さらに、上述した実施形態においては、真性粘菌１５の活動状態を統御する所定の刺激を付与する刺激付与装置として、真性粘菌１５の縮退を促すことが可能な忌避刺激である光を照射するプロジェクタ２３を用いているが、真性粘菌１５の活動状態を統御する所定の刺激を付与することができるものであれば、これ以外の任意の刺激付与装置（化学的、電気的、熱的又は力学的な刺激を局所的又は全体に付与する装置）を用いることができる。なお、ここでいう電気的な刺激としては例えば、細胞又は細胞群の全体に電場をかけることにより得られる刺激を挙げることができる。また、力学的な刺激としては例えば、細胞又は細胞群の局所を針でつつくことにより得られる刺激を挙げることができる。
【００６９】
さらに、上述した実施形態においては、光等の刺激の付与パターンの更新規則として、図３に示すような側方抑制規則を用い、この側方抑制規則により図４（ａ）〜（ｊ）に示すような１０通りの定常状態が状態パターンとして記憶される場合を例に挙げて説明したが、刺激の付与パターンの更新規則としては、側方抑制規則以外の任意のものを用いることができ、ホープフィールド型ニューラルネットワークモデルを表現する更新規則の集合に含まれる他の任意の規則を選択することができる。また当然に、ホープフィールド型ニューラルネットワークモデルを表現する更新規則以外の任意の規則を選択することも可能である。従って、ニューラルネットワークとは全く異なる情報処理も実現可能である。
【実施例】
【００７０】
次に、上述した実施形態の具体的実施例について述べる。
【００７１】
図１及び図２に示すような装置構成の情報処理システムにおいて、次のような実験を行った。
【００７２】
（真性粘菌）
障壁装置の障壁部の中央凹部内に真性粘菌の一個体（０．７５ｍｇ±０．０５ｍｇ）を配置した。この真性粘菌には、温度２５度の暗所にて１％の寒天培地上でオートムギの薄片（Ｓｎｏｗ  Ｂｒａｎｄ  Ｃｏ．のＱｕａｋｅｒＯａｔｓ）を供給した。なお、実験のために用いられる真性粘菌は、餌がなくとも最大一週間まで生き延びることができた。
【００７３】
（障壁装置）
障壁装置の障壁板として、フォトリソグラフィー法により障壁部に相当する部分（図２に示すような中央凹部及び８つの通路）を形成した板状体を作製した。この板状体は、極厚のフォトレジスト樹脂（ＭｉｃｒｏＣｈｅｍ  Ｃｏｒｐ．のＮＡＮＯ（商標）ＸＰ  ＳＵ−８  ３０５０）から作製された、厚みが約０．２ｍｍの微小構造体であり、マグネトロンスパッタリング装置（Ｓｈｉｎｋｕｕ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｃｏ．，  Ｌｔｄ．のＭＳＰ−１０）により金でコーティングした。
【００７４】
そして、このような障壁板を１％の寒天培地（餌なし）上に配置し、寒天培地上に配置される真性粘菌の活動空間を限定するようにした。なお、真性粘菌は金を嫌うので、真性粘菌は寒天培地が曝されている障壁板の障壁部内でのみ活動することができる。なお、寒天培地のうち障壁板の外側の部分には、水分の蒸発による表面の沈下を防止するための黒色のプラスチックフィルムを配置した。
【００７５】
（その他の装置構成）
図１に示す情報処理システム（リアルタイムフィードバックシステム）において、ビデオカメラにより障壁装置の障壁部内に収容された真性粘菌の全体形状を常時撮像した。このとき、障壁装置の下面側には、透過光面パネルとして、ハロゲンランプ光源（Ｓｉｇｍａ  Ｋｏｋｉ  Ｃｏ．，  Ｌｔｄ．のＰＨＬ−１５０）に接続された面光源（Ｓｉｇｍａ  Ｋｏｋｉ  Ｃｏ．，  Ｌｔｄ．のＭＭ８０−１５００）を設け、ビデオカメラにより撮像する際に用いられる透過光が出射されるようにした。なお、ハロゲンランプ光源には、バンドパスフィルター（Ｅｄｍｕｎｄ  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｉｎｃ．の４６１５９−Ｆ）を取り付け、真性粘菌の振る舞いへの影響がないことが報告されている６００ｎｍ±１０ｎｍの波長の光（２μＷ／ｍｍ２の強度）を照射するようにした。
【００７６】
ビデオカメラにより撮像された画像はパーソナルコンピュータによりリアルタイム（Δｔ＝６秒間隔）で解析し、真性粘菌の現在の変形状態（活動状態）を取得した。また、この取得された真性粘菌の現在の変形状態に応じて、所定の規則に従って真性粘菌に照射される光の照射パターン（モノクロ画像）を決定して、光束が３０００ｌｍ、コントラスト比が２０００：１のプロジェクタ（ＰＬＵＳ  Ｖｉｓｉｏｎ  Ｃｏｒｐ．のＵ５−２３２）を制御した。なお、このプロジェクタにより照射される白色光の強度は、１２３μＷ／ｍｍ２であった。また、このプロジェクタにより照射される白色光は、障壁装置の障壁板の障壁部内に照射するだけでなく、障壁板の外縁（障壁板と寒天培地との境界）にも常に照射した。これは、真性粘菌が障壁板の外縁から外部へ逃げ出さないようにするためのである。
【００７７】
なお、このような装置構成からなる情報処理システムを用いた実験は、自動調温器及び調湿器付きのチャンバー（Ａｄｖａｎｔｅｃ  Ｔｏｙｏ  Ｋａｉｓｈａ，  Ｌｔｄ．のＴＨＧ０６２ＰＡ）内の暗所にて、温度：２７±０．３℃の、湿度：ＲＨ９６±１％の条件の下で行った。
【００７８】
（画像の解析）
ビデオカメラにより撮像された画像（二値化画像）はパーソナルコンピュータにより解析され、二値化画像内の各画素（振動子）において、対応する領域の真性粘菌の垂直方向の厚み（光の強度から測定されたもの）が４２秒前（この間隔は、最も良好なコントラストの画像を与えるものである）に記録された画像と比較して増加／減少したか否かを判断し、異なる色（赤色／青色）等により区別した。なお、図６の白黒表示では、赤色がより薄い灰色、青色がより濃い灰色として表示されている。なお、図６に示す二値化画像は等高線図ではなく、各画素（振動子）は、小領域での振動が上向き（緩和）であるか下向き（収縮）であるかによって異なる色（赤色／青色）によって区別した。
【００７９】
より具体的には、次のような方法で、各時刻ｔにおける二値化画像から全ての種類の振動子のデータを得た。
【００８０】
すなわち、障壁部の各通路ｉ又は円板状中心部ｃについて、真性粘菌の占有面積ａｉ（ｔ），ａｃ（ｔ）∈［０，１］を、ａｉ（ｔ），ａｃ（ｔ）＝「（対応する領域内の赤色又は青色の画素の数）／（対応する領域内の白色を含む全て画素の数）」として定義した。これらのａｉ（ｔ），ａｃ（ｔ）については、より高次の高調波が移動平均法により除去された平滑化データを図７に示した。
【００８１】
また、障壁部の各通路ｉ又は円板状中心部ｃについての上向き位相レベルｕｉ（ｔ），ｕｃ（ｔ）∈［０，１］を、ｕｉ（ｔ），ｕｃ（ｔ）＝「（対応する領域内の赤色の画素の数）／（対応する領域内の赤色又は青色の画素の数）」として定義した。ここで、上向き位相レベルｕｉ（ｔ），ｕｃ（ｔ）の振動は正弦波の合成により近似し、これによって、正弦波の振動の位相φｉ（ｔ），φｃ（ｔ）∈［０°，３６０°］を得た。なおここでは、逆位相同期（｜φｉ（ｔ）−φｃ（ｔ）｜＝１８０°）を強調するため、φｉ（ｔ）とφｃ（ｔ）との間の位相差を、ｄｉ（ｔ）＝１８０°−｜｜φｉ（ｔ）−φｃ（ｔ）｜−１８０°｜∈［０°，１８０°］として定義した。
【００８２】
なお、特定の画素及びそのムーア近傍の画素（所望の画素を取り囲む隣接した８個の画素）が全て同一の位相（色）である場合には、その画素は「局所的にコヒーレントである」と判断される。なお、全体的コヒーレンスｇ（ｔ）∈［０，１］は、ｇ（ｔ）＝「（回路内の全ての局所的にコヒーレンスの画素の数）／（回路内の全ての赤色又は青色の画素の数）」として定義した。
【００８３】
（実験結果）
真性粘菌の変形過程についての実験結果を、図６（ａ）〜（ｆ）（ビデオカメラによる撮像画像（二値化画像））に示す。
【００８４】
図８（ａ）に示すように、全てのニューロンｓｉについて、初期入力であるｓｉ（０）＝−１（非アクティブ）から開始すると、真性粘菌は同心状に成長し、約２時間後に、システムは特定の状態パターン（記憶パターン）に到達した。なおこのとき、真性粘菌では、その同心状の成長に伴って、位相波が中心部から周辺部へ向かって伝播された。
【００８５】
そして、最初に到達した記憶パターンを、最初の時点から約１時間後から４時間以上に亘って堅固に維持した後（図６（ｂ））、その状態を抜け出して探索を開始した（図６（ｃ））。このとき、図６（ｃ）に示すように、真性粘菌の幾つかの先端部（矢印で示されているような塊条の突出部）が、それらの通常の光回避反応に反して急激に光が照射されている通路に進入し始めたので、システムが不安定になった。このような「光が照射された通路の進入」が繰り返し行われた際には、近隣の通路を占めている幾つかの部分が、側方抑制規則に従って縮退した。なお、真性粘菌のうち通路に進入する部分は、真性粘菌自体によって操作されているように、明らかな逆位相境界を持つ塊状の突出構造として発生した。このような現象は、真性粘菌がその全体の圧力を塊状の構造に集中して新たな活動の場を開いているように見えた。
【００８６】
その後、以上のような試行錯誤を経て２番目の記憶パターンへと到達した（図６（ｄ））。次いで、この記憶パターンを所定の時間に亘って維持した後、図６（ｅ）に示すように、真性粘菌の幾つかの先端部（矢印で示されているような塊条の突出部）が、それらの通常の光回避反応に反して急激に光が照射されている通路に進入し始め、記憶パターンを再び壊した。なおこの場合、真性粘菌のうち塊状の進入部分の振動の位相は、中心部の位相とは全く反対であった。
【００８７】
そして最終的に、一連の不安定な状態を抑えるという問題を解決した結果として、システムは、以上のような試行錯誤を経て、計算を終了するまでの約７時間に亘って堅固に維持された３番目の記憶パターンに到達した。
【００８８】
次に、図７により、上述した真性粘菌の変形過程における各種の振動パターンの時間発展について説明する。
【００８９】
図７においては、真性粘菌の水平方向の運動（成長／縮退）を表すａｉ（ｔ），ａｃ（ｔ）∈［０，１］（真性粘菌の占有面積）と、垂直方向の振動を表すｕｉ（ｔ），ｕｃ（ｔ）∈［０，１］（厚みの振動の上向き位相レベル）とを、それぞれ、一点鎖線及び実線でそれぞれプロットした。ｕｉ（ｔ）とｕｃ（ｔ）との間の位相差ｄｉ（ｔ）∈［０°，１８０°］は、正規化処理（ｄｉ（ｔ）／１８０°）をした後に二点鎖線でプロットした。ここで、ｄｉ（ｔ）は、ｕｉ（ｔ），ｕｃ（ｔ）の逆位相同期／順位相同期が観察されるときに、それぞれ、その最大値／最小値をとる。なおここでは、極度に小さな値からの不正確な変動の結果を得ないようにするため、ｕｉ（ｔ）＜０．０２５の場合にはプロットを省略した。
【００９０】
図７に示すように、ａｉ（ｔ）が急激に増加し始める直前に、ｄｉ（ｔ）がほぼ最大になった。全体的コヒーレンスｇ（ｔ）∈［０，１］は、平滑化処理をした後の間隔［０．４，１］（最下行の部分の高さに相当）内で実線によって描かれている。各ニューロンｉについて描かれた斜線ハッチ部分及び最下行の部分に描かれた斜線ハッチ部分は、ｌｉ（ｔ）＝１、∃ｉ∈Ｉ（ｌｉ（ｔ）＝１及びｓｉ（ｔ）＝１）を示している。また、最下行の部分に描かれた点描ハッチ部分は、システムが、∀ｉ∈Ｉ（ｌｉ（ｔ）＋ｓｉ（ｔ）＝０）となるような記憶パターンの構成をとる場合を示している。なお、ニューロン３、４、７、８について付記されている矢印は、図６（ｃ）（ｄ）に対応する状況（真性粘菌の先端部が、光が照射された通路へ進入する状況）を示している。なお、図７に示すように、真性粘菌の先端部の光が照射されている通路への進入は、ｇ（ｔ）の増加に伴って行われた。また、システムの状態の著しい変化は、ｇ（ｔ）のピークの近傍で生じる傾向にあった。
【００９１】
次に、図８（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）により、上述した真性粘菌の変形過程における各種の振動パターンの特性について説明する。なお、図８（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示す結果は、平均１４．５時間に亘って計測された２０個の実験から得られたデータに基づくものである。なお、１回の実験あたり、平均３．２５個の記憶パターン（同一の記憶パターンを複数回想起することも含めたのべ回数）が想起された。全ての画素（振動子）の強度（厚み）の合計として計測された真性粘菌の体積は、観察中は常にほとんど一定であった。
【００９２】
図８（ａ）には、位相差ｄｉ（ｔ）と真性粘菌の占有面積の変化Δａｉ（ｔ）（＝ａｉ（ｔ＋Δｔ／２）−ａｉ（ｔ−Δｔ／２））との関係が示されている。なお、Δｔ（＝９０秒）は真性粘菌の収縮・緩和サイクルの平均期間である。対応するバーの幅として示されたそれぞれの間隔ｄにつき、急激な成長（Δａｉ（ｔ）≧０．０２５）の発生率をその母数（黒点）とともに評価した。ここで、データは個別に、光が照射されている通路（ハッチが付されたバー）と、光が照射されていない通路（白色のバー）とに分けて示した。また、縮退（Δａｉ（ｔ）≦−０．０２５）に関する結果は下側に示した。図８（ａ）に示すように、急激な成長には逆位相同期が必要であった。また、真性粘菌の縮退の速度は一般的に成長の速度よりも遅かった。
【００９３】
図８（ｂ）には、全体的コヒーレンスｇ（ｔ）と逆位相（ｄｉ（ｔ）≧１５３°）及び順位相（ｄｉ（ｔ）≦２７°）の発生率との間の関係が示されている。図８（ｂ）に示すように、明らかな逆位相同期及び順位相同期には高い全体的コヒーレンスが必要であることが分かった。
【００９４】
図８（ｃ）には、全体的コヒーレンスの変化Δｇ（ｔ）（＝ｇ（ｔ＋Δｔ／２）−ｇ（ｔ−Δｔ／２））と真性粘菌の占有面積の変化Δａｉ（ｔ）との関係が示されている。図８（ｃ）に示すように、真性粘菌の急激な成長に対するΔｇ（ｔ）＞０の貢献が、光が照射されていない場合に確認された。なお、光が照射されていない場合の貢献は、逆位相同期の場合に明らかであった。
【００９５】
図８（ｄ）には、全体的コヒーレンスの変化と真性粘菌の全てのニューロンの占有面積の変化の最大値｜Δａｉ（ｔ）｜  との関係が示されている。ハッチが付されたバーは、真性粘菌の少なくとも一つの先端部に光が照射されているとき（∃ｉ∈Ｉ（ｌｉ（ｔ）＝１及びｓｉ（ｔ）＝１））の結果を示している。多くの場合には、真性粘菌の最も急激に成長する先端部は、光が照射されている通路ではないので、光が照射されている場合の結果が、光が照射されていない場合のそれよりも大きいことは、ｇ（ｔ）の急激な増加の下で、真性粘菌がその先端部を光が照射されている領域から直ちに逃げさせ、光が照射されていない通路へ向けて急激に進入する傾向を明らかにしている。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の一実施形態に係る、協同現象を示す細胞又は細胞群を用いた情報処理システムの全体構成を示す図。
【図２】図１に示す情報処理システムの障壁装置の詳細を示す斜視図。
【図３】図１及び図２に示す情報処理装置の障壁装置内に収容された真性粘菌に対して光が照射される規則（側方抑制規則）を説明するための図。
【図４】図３に示す側方抑制規則の下で得られる真性粘菌の最終的な定常状態を示す図。
【図５】図１及び図２に示す情報処理装置により実現されるニューラルネットワークモデル（ホップフィールド型ニューラルネットワーク）を説明するための図。
【図６】本発明に係る情報処理システムを用いて行われた具体的な実験の結果を示す図。
【図７】図６に示す実験において真性粘菌の活動により生じた各種の振動パターンの時間発展を示す図。
【図８】図６に示す実験において真性粘菌の活動により生じた各種の振動パターンの特性を示す図。
【符号の説明】
【００９７】
１  情報処理システム
１０  障壁装置
１１  障壁板
１２  障壁部
１２ａ  中央凹部
１２ｂ  通路
１４  寒天培地
１５  真性粘菌
２１  ビデオカメラ
２２  パーソナルコンピュータ
２３  プロジェクタ
２５  透過光面パネル
３１  粘菌進入指標
３３  光照射領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図６】
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