Hálózatkutatás: a tudósok megdicsérték az evolúciót

Dmitri Krioukov vezető szerző, a Northeastern University fizikusa, és munkatársai: Gulyás András, Bíró J. József, Kőrösi Attila és Rétvári Gábor, a Magyar Tudományos Akadémia és a Budapesti Műszaki Egyetem munkatársai a Nature Communications legutóbbi számában jelentették meg szabadon hozzáférhető cikküket - Navigable networks as Nash equilibria of navigation games -, amelyben a játékelméletet felhasználva bemutatják, hogy azok a minimalisztikus hálózatok, amelyeket azzal a céllal terveztek, hogy a lehető legkisebb befektetéssel maximalizálják a hálózaton belüli navigáció hatékonyságát, alapvető strukturális tulajdonságaikban megegyeznek a valódi hálózatokkal. Ezen belül kiderült pl., hogy az emberi agy struktúrája majdnem ideális kapcsolati hálót alkot.

Az eredmények nem pusztán azt igazolják, hogy evolúciónk jó úton halad, de fontos következményei is lehetnek a neurológiai betegségek okainak kimutatása és végeredményben a megfelelő gyógymódok kifejlesztése területén is, nyilatkozta Krioukov. Egy agyi hálózat akkor optimális, ha a lehető legkevesebb összeköttetéssel – azaz a legkisebb költséggel/befektetéssel – biztosít maximális navigálhatóságot, ami a legdirektebb útvonalakat jelenti, amelyeken az információ bármilyen lehetséges forrásból el tud jutni bármilyen lehetséges célpontba, még akkor is, ha a hálózat teljes felépítését egyetlen csomópontja sem ismeri, teszi hozzá a fizikus. Vagyis egyensúlyi állapotról van szó, a tanulmány pedig egy új stratégiát közöl, hogy hogyan lehet megtalálni azokat az összeköttetéseket, amelyek alapvetőek ezen egyensúly eléréséhez.

Krioukov és munkatársai különböző hálózatokat tanulmányoztak, masszív Internet-adatbázisoktól kezdve magyar közúti és vasúti hálózatokon, amerikai légifolyosókon és nyelvi, valamint metabolikus rendszereken át az agy strukturális hálózatáig (a biológiai hálózatok további paradigmatikus példái: génszabályozó hálózatok, fehérje-interakciós hálózatok). Jelen munkájuk során a kutatók először is a Nobel-díjas John Nash játékelméleti munkásságán alapuló, szofisztikált statisztikai elemzések révén létrehozták az idealizált agyi hálózatot, azaz azt a kommunikációs kapcsolati rendszert, ami optimális információtovábbítást biztosít. Ezt követően az idealizált agyi hálózatot összehasonlították az agy valódi szerkezetével, így kiderült: az idealizált agyi hálózatban található kapcsolatok 89 százaléka a valódi agy hálózatában is jelen van. Mint Krioukov kifejti: „Az evolúció nagyon jól megtervezte az agyat, a valódi agy szerkezete nagyon hasonlít ahhoz, amit az általunk kidolgozott algoritmus mutat.”

A kutatók nyilatkozata szerint vizsgálati módszerük igen újszerűnek számít: hagyják, hogy a funkció – a jelen esetben a navigálhatóság – alakítsa ki az idealizált hálózat struktúráját, ezáltal derüljön ki, mely összeköttetések alapvetőek az optimális navigáció biztosítása érdekében. A legtöbb kutató nem így dolgozik, teszi hozzá Krioukov, hanem először a valódi hálózat modelljét építi fel, és ezen teszteli a funkciót, azonban ez utóbbi megközelítés révén nem derül ki, hogy melyek az alapvetően fontos összeköttetések.

A Krioukov és munkatársai által kidolgozott stratégia sok tudományágon belül hasznosítható lehet. Ha ismerjük, hogy a navigáció szempontjából egy hálózat mely összeköttetései alapvetőek, akkor azt is tudjuk, hová érdemes a védekező erőfeszítéseket összpontosítani, egy rendszer tervezője lokalizálhatja a maximálisan hatékony működéshez szükséges, de hiányzó kapcsolatokat, és hozzáadhatja azokat a rendszerhez, illetve ellenkezőleg: egy terrorista hálózat esetén pl. azt is tudjuk, mely összeköttetéseket érdemes legelőször lerombolni.

Az emberi agy hálózatával kapcsolatosan Krioukov kifejti: a valódi agyban és az idealizált hálózatban egyaránt létező összeköttetések  - az ábrán a bíbor színű vonalak mutatják ezeket – minden valószínűséggel azok a kapcsolatok, amelyek a normális agyi működéshez szükségesek, és először is ezek épségét kell megvizsgálni, ha az agyban valamilyen betegség alakul ki; elképzelhető az is, hogy a jövőben gyógyszerek vagy sebészeti technikák révén lehet majd célba venni és megjavítani az így azonosított összeköttetéseket.