奔逃趋化中的最优感知与控制

奔逃(run-and-tumble)趋化是通过感知气味空间梯度来搜寻气味源的典型策略之一。为阐明生物体内所实现策略的效率,人们已从理论上分析了奔逃趋化中感知与控制的最优方式。然而,由于理论上的困难,尽管真实的生物趋化系统在其感知过程与受控响应中涉及显著的随机性与非线性,大多数尝试仍仅限于线性或确定性分析。本文通过结合最优滤波理论与部分可观测马尔可夫决策过程(POMDP)的 Kullback-Leibler 控制,推导出了依赖于配体梯度噪声感知来控制奔逃运动的最优且完全非线性的策略。所导出的最优策略由从噪声感知输入估计奔跑方向的最优滤波动力学,以及调节运动输出的控制函数组成。我们进一步表明,该最优策略可自然地与大肠杆菌趋化的标准生化模型及实验数据相关联。这些结果表明,我们的理论框架可作为分析奔逃趋化效率与最优性的基础。