在生物反馈网络中，噪声抑制、响应灵敏度和速度之间存在一个基本的权衡关系

摘要

生物调控网络依赖反馈控制来抑制内在噪声，同时保持对外部信号的敏感性和响应性，然而是否能够同时实现这些目标仍不清楚。在这里，我们指出生物反馈网络面临一个不可避免的约束：内在波动无法被任意抑制，否则会牺牲响应敏感性或通过反馈控制降低响应速度。利用随机反馈动力学的一般框架，我们推导出一个基本权衡关系，该关系限制了这三个性能目标如何共同优化。理论结果和数值模拟表明，这种约束在高维系统中仍然存在。我们进一步指出，生物调控中普遍存在的非平衡、非梯度动力学可以在一定程度上缓解这一限制，但永远无法消除它，最多只能将噪声抑制的最小成本降低两倍。我们使用一个具有生物学背景的激活剂-抑制剂反馈模式来验证我们的理论。综上所述，我们的结果揭示了反馈控制在增强生物调控网络信息传输能力方面的一个根本性限制。