Könnyebben szabályozhatók a társadalmi hálók, mint a sejthálózatok

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.

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

Álmodó robotok vagyunk		Az ember nem céltalanul kóborló lény		Barabási új előadása a Mindentudás Egyetemén