VertAX: a differentiable vertex model for learning epithelial tissue mechanics

arXiv cs.LG / 2026/4/9

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要点

  • VertAXは、JAXを用いた微分可能な頂点モデル(vertex model)フレームワークとして、上皮組織の力学を学習・推論・逆設計するための計算基盤を提示している。
  • 自動微分、GPU加速、そして前進シミュレーション、パラメータ推定、逆問題(inverse mechanical design)までを一体化したbilevel最適化を提供する点が特徴だ。
  • ユーザーはPythonのみで任意のエネルギー関数やコスト関数を定義でき、機械学習パイプラインとの統合を容易にする設計になっている。
  • VertAXは形態形成の順方向モデリング、機械パラメータ推定、組織スケールの挙動を狙った逆設計の3つのタスクで実証している。
  • 微分戦略を比較した結果、平衡伝播(equilibrium propagation)が繰り返しのforwardシミュレーションのみで勾配を近似でき、非微分的シミュレータにも比較的低コストで拡張できる可能性を示している。

Abstract

Epithelial tissues dynamically reshape through local mechanical interactions among cells, a process well captured by vertex models. Yet their many tunable parameters make inference and optimization challenging, motivating computational frameworks that flexibly model and learn tissue mechanics. We introduce VertAX, a differentiable JAX-based framework for vertex-modeling of confluent epithelia. VertAX provides automatic differentiation, GPU acceleration, and end-to-end bilevel optimization for forward simulation, parameter inference, and inverse mechanical design. Users can define arbitrary energy and cost functions in pure Python, enabling seamless integration with machine-learning pipelines. We demonstrate VertAX on three representative tasks: (i) forward modeling of tissue morphogenesis, (ii) mechanical parameter inference, and (iii) inverse design of tissue-scale behaviors. We benchmark three differentiation strategies-automatic differentiation, implicit differentiation, and equilibrium propagation-showing that the latter can approximate gradients using repeated forward, adjoint-free simulations alone, offering a simple route for extending inverse biophysical problems to non-differentiable simulators with limited additional engineering effort.