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Auf dem Weg zur Wissenschaft von Wegen in Netzwerken

Auf welchen Spuren bewegen sich Gedanken in unserem Gehirn? Wie bleibt das Internet bei Katastrophen funktionsfähig? Welche Wirkungen und Nebenwirkungen kann ein Medikament beim Einbringen in unseren Körper hervorrufen? Die Wissenschaft der Pfade am Horizont könnte bald genauere Antworten auf solche Fragen geben!

Auch wenn die meisten komplexen Systeme, die uns umgeben, wie das menschliche Gehirn, das Internet oder die menschliche Gesellschaft, auf völlig unterschiedlichen Grundlagen (Biologie, Technologie, soziale Interaktionen usw.) aufgebaut sind, war ihre zugrunde liegende abstrakte Struktur das eigentliche Verbindungsnetz gefunden, um erstaunlich ähnlich zu sein. Die Erforschung derart komplex vernetzter Systeme steht heute vor einem neuen Stadium: Anstatt die Struktur (Knoten und Verbindungen) von Netzwerken zu untersuchen, hinterfragen die Forscher die grundlegenden Arten des Informationsflusses in ihnen, dh die Wege, über die sich Informationen zwischen Knoten ausbreiten . Die Reaktion der Zellen auf Stress, die Stabilität der Flughafennetze oder das Verhalten des Internets im großen Maßstab werden im Wesentlichen von den Betriebswegen bestimmt, die Signale / Passagiere / Pakete durch das Netz befördern. Sogar die Wirkungen und Nebenwirkungen von Arzneimitteln werden hauptsächlich durch die Reihenfolge der Moleküle charakterisiert, mit denen das Arzneimittel interagiert.

Eine Frühaufsteher-Studie zum System der Betriebspfade wurde kürzlich in Scientific Reports veröffentlicht. Die Autoren haben umfangreiche Datensätze erstellt, die den Verkehrsfluss im menschlichen Gehirn, im Internet, im Flughafennetz und in einem Word-Morph-Spiel namens "fit-fat-cat" beschreiben (https://play.google.com/store/apps/details) ? id = hu.bme.tmit.lendulet.wordnavigationgame) und analysierte Informationsverbreitungspfade, die aus diesen Datensätzen extrahiert wurden. Aufgrund des breiten Spektrums analysierter Netzwerke, Forscher interdisziplinärer Herkunft und aus mehreren Institutionen (Fakultät für Telekommunikation und Medieninformatik an der Technischen und Wirtschaftswissenschaftlichen Universität Budapest, Institut für ungarische Linguistik und finno-ugrische Studien an der Eötvös Loránd Universität, Psychologie und Hirnwissenschaften) an der Indiana University, am Brain Center Rudolf Magnus am University Medical Center Utrecht, an der Abteilung für Radiologie am Centre Hospitalier Universitaire Vaudois und an der Universität Lausanne (Signal Processing Laboratory 5 an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne) haben zu dem Projekt beigetragen.

Die empirisch fundierte Studie hinterfragt die am weitesten verbreitete Hypothese über die Struktur von Betriebswegen innerhalb von Netzwerken, die Annahme des kürzesten Weges. Diese ehrwürdige Regel schreibt vor, dass Informationen zwischen zwei Knoten auf dem kürzesten Weg zwischen den Knoten fließen müssen. Diese Annahme dominiert die Forschungsgemeinschaft der Netzwerkwissenschaft, und die grundlegendsten Netzwerkmetriken (Durchmesser, durchschnittliche Pfadlänge, Zentralität usw.) werden entsprechend berechnet. Bemerkenswerterweise stützen die von den Autoren gesammelten empirischen Daten die Beobachtung, dass Pfade in verschiedenen Netzwerken im Vergleich zu den kürzesten signifikant "gedehnt" werden können. Darüber hinaus hat sich herausgestellt, dass die Streckungsverteilung in verschiedenen Netzen äußerst ähnlich ist. Die Autoren charakterisieren auch die Regeln der Pfadauswahl, die die Natur bei der Auswahl eines Pfades anzuwenden scheint. Insbesondere schreibt die vorgeschlagene "Konformitätshierarchie-Regel" vor, dass echte Pfade der zugrunde liegenden Hierarchie des Netzwerks entsprechen müssen. Informell bedeutet dies, dass übergeordnete Knoten keine Informationen über untergeordnete Knoten austauschen, selbst wenn kurze Pfade verfügbar sind. Dann stellt die Vorzugsregel sicher, dass der Datenverkehr den Netzwerkkern nach Möglichkeit umgeht. Basierend auf diesen einfachen Regeln haben die Autoren schließlich einen synthetischen Algorithmus entwickelt, der den Verkehrsfluss viel realistischer vorhersagt als kürzeste Wege.

Die sofortige Anwendung dieser Ergebnisse ist die genauere Abschätzung der Reaktion des Netzwerks auf verschiedene Stimuli. Wie werden neue Aufgaben in einem Unternehmen koordiniert? Welche Pfade verbreiten sich Gerüchte? An welchen Flughäfen wechseln Sie in Ihrem Urlaub die Flüge? Die Wissenschaft der Pfade kommt, um uns zu helfen.