Slik styrer du komplekse nettverk.

Slik styrer du komplekse nettverk.

Ny algoritme gir mulighet til a pavirke systemer som levende celler eller sosiale nettverk.

Anne Trafton, MIT News Office.

Trykk pa Kontakt.

MIT News Office.

Media Resources.

2 bilder for nedlasting.

Medier kan bare lastes ned fra den stasjon re versjonen av denne nettsiden.

Kommentar.

Ved forste oyekast kan et diagram av det komplekse nettverket av gener som regulerer cellemetabolisme virke haplost komplisert, og innsats for a kontrollere et slikt system forgjengelig.

Imidlertid har en MIT forsker kommet opp med en ny beregningsmodell som kan analysere alle typer komplekse nettverk – biologisk, sosial eller elektronisk – og avslore de kritiske punktene som kan brukes til a kontrollere hele systemet.

Potensielle bruksomrader av dette arbeidet, som vises som omslagshistorien i Nature’s May 12-utgave, inkluderer omprogrammering av voksne celler og identifisering av nye legemiddelmal, sier studieforfatter Jean-Jacques Slotine, en professor i maskinteknikk og hjernekognitiv.

Forskere fra MIT og Nordost-Universitetet utviklet en algoritme som kan generere en kontrollerbarhetsstruktur for et komplekst nettverk. De rode punktene er “driver noder”, som kan kontrollere resten av noderne (gronn).

Bilde: Mauro Martino.

Slotine og hans medforfattere brukte modellen til dusinvis av virkelige nettverk, inkludert mobiltelefonnettverk, sosiale nettverk, nettverkene som styrer genuttrykk i celler og det neuronale nettverket av C. elegans-ormen. For hver beregner de prosentandelen poeng som ma styres for a fa kontroll over hele systemet.

For sparsomme nettverk som genregulerende nettverk fant de tallet hoyt, rundt 80 prosent. For tette nettverk – som nevronnett – er det mer som 10 prosent.

Papiret, et samarbeid med Albert-Laszlo Barabasi og Yang-Yu Liu fra Nordostuniversitetet, bygger pa mer enn et halvt arhundre med forskning innen kontrollteori.

Kontrollteori – studien av hvordan man styrer oppforselen til dynamiske systemer – har styrt utviklingen av fly, roboter, biler og elektronikk. Prinsippene for kontrollteori gir ingeniorer mulighet til a designe tilbakemeldingskretser som overvaker inngang og utgang av et system og justerer tilsvarende. Et eksempel er cruise kontrollsystemet i en bil.

Imidlertid, mens det ofte brukes i ingeniorfag, har kontrollteori kun blitt brukt intermitterende til komplekse, selvmonterende nettverk som levende celler eller Internett, sier Slotine. Kontrollforskning pa store nettverk har v rt bekymret for det meste med sporsmal om synkronisering, sier han.

Foto: Patrick Gillooly.

I lopet av de siste 10 arene har forskere l rt mye om organisering av slike nettverk, s rlig deres topologi – monstrene av sammenhenger mellom ulike punkter eller noder, i nettverket. Slotine og hans kolleger brukte tradisjonell kontrollteori til disse siste fremskrittene, og utarbeidet en ny modell for kontroll av komplekse, selvmonterende nettverk.

“Nettverksstyringsomradet er en sv rt viktig, og selv om mye arbeid har blitt gjort pa dette omradet, er det en rekke apne problemer med enestaende praktisk betydning, sier Adilson Motter, lektor i fysikk ved Nordvestuniversitetet. Slotines og hans kollegeres storste bidrag er a identifisere typen noder som ma malrettes for a kontrollere komplekse nettverk, sier Motter, som ikke var involvert i denne undersokelsen.

Forskerne begynte med a utarbeide en ny datalgoritme for a bestemme hvor mange noder i et bestemt nettverk som skal kontrolleres for a fa kontroll over hele nettverket. (Eksempler pa noder inkluderer medlemmer av et sosialt nettverk, eller enkelte neuroner i hjernen.)

“Det apenbare svaret er a legge inn input til alle nodene i nettverket, og det kan du, men det er et dumt svar, sier Slotine. “Sporsmalet er hvordan du finner et mye mindre sett med noder som lar deg gjore det.”

Det finnes andre algoritmer som kan svare pa dette sporsmalet, men de fleste tar alt for lenge – ar, selv. Den nye algoritmen forteller deg begge hvor mange poeng som skal styres, og hvor de punktene, kjent som “driver noder”, er plassert.

Deretter fant forskerne ut hva som bestemmer antall drivernoder, noe som er unikt for hvert nettverk. De fant ut at tallet avhenger av en eiendom som heter “graderfordeling”, som beskriver antall tilkoblinger per node.

En hoyere gjennomsnittlig grad (som betyr at punktene er tett forbundet) betyr at f rre noder er nodvendig for a kontrollere hele nettverket. Sparsomme nettverk, som har f rre tilkoblinger, er vanskeligere a kontrollere, og det er nettverk hvor knutepunktene er sv rt variable.

I fremtidig arbeid planlegger Slotine og hans medarbeidere a dykke videre inn i biologiske nettverk, som de som styrer metabolismen. A finne ut hvordan bakterielle metabolske nettverk styres, kan hjelpe biologer til a identifisere nye mal for antibiotika ved a bestemme hvilke punkter i nettverket som er mest utsatt.

Vel, jeg tror det er bra a ha det godt etter a ha kontrollert nudene til genomet, er ogsa noe.

Sannsynligvis forst ville vi kopiere de riktige cellene, da korrigere de mulformede genomene i noen celler, sa alle mulformasjoner, sa cellene som gjor bare vi trenger dem til a gjore etc.

Som deler av en artikkel, kontrollerende noder, kan det ogsa v re et resultat av subnoder for kontroll, som kan endre strukturen.

Kanskje en mulig applikasjon er at sjaforens noder kan bringe hele nettverket til en konsensus pa en betydelig kort tid, noe som er mye verdifullt.

Om dette nettstedet.

Dette nettstedet vedlikeholdes av MIT News Office, en del av Office of Communications.


Vil du spille i det beste kasinoet? Vi fant det for deg. Trykk her nå!