资源限制下的最优估计与控制理论及其在生物信息处理和决策中的应用
生物物理
2025-10-21 v1 最优化与控制
摘要
尽管经过优化，生物体的信息处理在复杂性和能力上仍表现出显著的变异性。这种多样性的一个潜在来源是信息处理所需资源的限制。然而，我们缺乏一个理论框架来理解生物信息处理与资源限制之间的关系，并将其与信息处理下游进行的决策相整合。在本文中，我们提出了一种新的最优估计与控制理论，该理论考虑了生物系统固有的资源限制。该理论明确表述了生物体可以存储和操作的记忆，并利用最优控制理论获得最优记忆动力学。该方法考虑了各种资源限制，如记忆容量、内在噪声和能量成本，并统一了状态估计和控制。我们将该理论应用于资源限制下生物信息处理和决策的最小模型，发现这种限制在无记忆和基于记忆的策略之间诱导了非连续且非单调的相变。因此，该理论建立了一个在资源限制下处理生物信息处理和决策的综合框架，揭示了由资源限制引起的丰富且复杂的行为。
引用
@article{arxiv.2409.14003,
title = {Theory for Optimal Estimation and Control under Resource Limitations and Its Applications to Biological Information Processing and Decision-Making},
author = {Takehiro Tottori and Tetsuya J. Kobayashi},
journal= {arXiv preprint arXiv:2409.14003},
year = {2025}
}