Könnyebben szabályozhatók a társadalmi hálók, mint a sejthálózatok

2011.05.12. 15:21

Az erdélyi származású világhírű hálózatkutató, Barabási Albert-László és kollégái úttörőnek számító lépést tettek a bonyolult, önszerveződő rendszerek - mint például egy sejt genetikai hálózata vagy egy társadalmi háló - szabályozhatóságához vezető úton.

Mit jelent egy rendszer szabályozhatósága, kontrollálhatósága? Ha egy autót az egyik állapotából, mondjuk álló helyzetből, szeretnénk egy másik állapotba hozni, akkor ezt néhány pedál és a kormánykerék használatával el tudjuk érni. Bár az autó több ezer alkatrészből áll, csak néhány elem, a rendszer néhány fontos csomópontja fontos ebből a szempontból. E néhány csomópont együttes befolyásolásával a rendszer összes lehetséges állapotába (az úgynevezett fázistér bármelyik pontjába) el tudunk jutni.

A magyar származású amerikai matematikus, Rudolf E. Kalman alapvető elméleteire építve a kontrollelmélet nagyon sokat fejlődött az utóbbi évtizedekben, így egyre bonyolultabb rendszereket, mesterséges hálózatokat lehet megbízhatóan és hatékonyan irányítani. Ehhez ismerni kell a rendszer belső dinamikáját (vagyis azt, hogyan hatnak egymásra a csomópontok) és a rendszer szerkezetét.

Úttörő lépés a bonyolult hálózatok kontrollálhatósága felé

Nem tudjuk azonban, hogy egy igazán bonyolult, önszerveződő rendszert - például egy sejt genetikai hálózatát vagy a társadalmi hálókat - hogyan lehetne kontrollálni. Ezen a területen tettek úttörő lépést Barabási Albert-László és kollégái (Northeastern University, Harvard University, Boston, USA), és az eredményekről a Nature legújabb számában közölnek cikket. Az erdélyi származású világhírű kutató hálózatelméleti munkájáról legutóbb tavaly számoltunk be rovatunkban (lásd Álmodó robotok vagyunk c. cikkünket). Barabási előadásával kezdődött a Mindentudás Egyeteme új sorozata is, amelynek felvételét érdemes megnézni annak, aki színes és közérthető formában szeretne megismerkedni a hálózatkutatás alapvető fogalmaival.

Barabási és kollégái egy olyan általános keretet, egy olyan matematikai eszköztárt dolgoztak ki, amellyel vizsgálni lehet a komplex, önszerveződő rendszerek kontrollálhatóságát. A hatékony kontrollálhatóság szempontjából egy ilyen rendszernél is az a fő kérdés, hogy melyek a rendszer legfontosabb csomópontjai, a "vezércsomópontok" (azaz hol vannak benne a pedálok és a kormánykerék), illetve az, hogy mennyi az a legkisebb számú csomópont, amelyek módosításával meg lehet változtatni a rendszer állapotát?

"Ahhoz, hogy hány csomópontot kell kontrollálni, azt kell tudni, hogy a csomópontoknak hány huzala, azaz hány kapcsolódása van. Tudni kell, milyen a rendszer szerkezete, azaz ki kivel áll kapcsolatban. Eddig azt gondoltuk, hogy az összeköttetések erősségét is ismerni kell, az egyik áttörés azonban az, hogy ez nem számít. Csak az a lényeg, hogy ki kivel hat kölcsön. Ezzel a probléma megdöbbentően leegyszerűsödött" - mondja Barabási.

Fotó: Mindentudás Egyeteme - Mayer András
Barabási előadásával kezdődött a Mindentudás Egyeteme 2.0

Vezércsomópontok meglepő helyzetben

Az új modellt konkrét hálózatokra alkalmazva meglepő eredmények születtek. Kiderült, hogy a vezércsomópontok nem a hálózatok nagy, központi csomópontjai. Pedig a legtöbben azt várnánk, hogy egy-egy nagy centrum befolyásolásával sok más csomópontot tudunk egyszerre módosítani, és így változtatható meg legkönnyebben a rendszer állapota.

Hogy ezt megértsük, nézzük például a sejtek, például egy genetikai hálózat működését. "Ha egy csomóponton lóg kettő másik, akkor a csomópont nem tudja ezeket differenciáltan kontrollálni. Ha például a csomópont egy gátló gén, akkor mindkét kapcsolatát csak gátolni tudja, és nem tudja az egyiket serkenteni" - mondja Barabási. Ehhez már egy újabb módosítás, például a gátlás gátlása szükséges. Ezek a finomszabályozások általánosak a biológiában, és ezért van az, hogy bár az információ terjedésénél a sok kapcsolattal rendelkező csomópontok a fontosak, a hálózat befolyásolásánál már nem.

Ez viszont azt is jelenti, hogy jóval több ponton lehet megváltoztatni a rendszer állapotát. Barabásiék eddigi eredményei szerint egy génhálózat csomópontjainak 80%-a is vezércsomópont lehet. Ez elsőre egy nehézkesen szabályozható rendszenek tűnik. "A sejt esetében azonban nem az a fontos, hogy néhány gén kontrollálja az egész működést, hanem az, hogy a rendszer sok belső állapotot tudjon felvenni. Ehhez sok bemenő információ kell, azaz sok érzékelő, és sok válaszlehetőség. Ezek biztosítják a sejt túlélését, a környezethez való alkalmazkodóképességét" - mondja Barabási.

A szociális hálózatok esetében sem a központi csomópontok jelentik a legjobb beavatkozási lehetőséget, azaz nem feltétlenül azok a legbefolyásosabb emberek, akiknek a legtöbb kapcsolata, barátja van. A szociális hálóknál a vezércsomópontok arányát 20%-ra becsülik. "Ez meglepett bennünket. Azt vártuk, hogy a szociális hálókat nagyon nehéz kontrollálni" - mondja Barabási.

Az eddigi vizsgálatok egyik fő következtetése azonban mégis az, hogy mind a biológiai (például genetikai), mind a társadalmi hálózatokat meglepően nehéz kontrollálni. A cikkel kapcsolatban megjelent kommentár szerint ez egy bizonyos fokig megnyugtató, mert ezeknek a hálózatoknak van egyfajta immunitása: sok ponton kell megváltoztatni őket ahhoz, hogy gyökeresen megváltozzon a működésük. A modellt a mesterséges (mérnöki) hálózatokra is alkalmazva megerősítették, hogy ezeket jóval könnyebb módosítani, ami viszont attól függően jó vagy rossz hír, hogy ki akarja megváltoztatni őket.

Cikkajánló

Forrás: [origo]

Forrás: AFP

Fotó: Hajdú D. András [origo]

Álmodó robotok vagyunk

Az ember nem céltalanul
kóborló lény

Barabási új előadása
a Mindentudás Egyetemén



KAPCSOLÓDÓ CIKK