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Todas las redes complejas presentan estructuras básicas similares

Ya sean biológicas, tecnológicas o sociales evolucionan siguiendo lo mismos mecanismos de desarrollo, revela un estudio


Un equipo de investigadores de la Northwestern University de Estados Unidos ha descubierto por vez primera que redes complejas muy distintas –como las redes de tráfico aéreo o las redes neuronales del cerebro- presentan “esqueletos” o estructuras básicas muy similares. El descubrimiento ha sido realizado gracias a una metodología basada en la importancia que dan los nodos a los enlaces dentro de los sistemas. El hallazgo aclara como se expanden ciertos elementos por las redes complejas, y podría ayudar a prevenir epidemias. Por Yaiza Martínez.


Yaiza Martínez
Escritora, periodista, y Directora de Tendencias21. Saber más del autor



Red de trasporte aéreo mundial. Cada enlace, en gris, representa el tráfico de pasajeros entre más de 1.000 aeropuertos del planeta; la red completa tiene más de 35.000 enlaces. Las líneas rojas representan el esqueleto de la red, una estructura arbórea de solo 1.300 enlaces, que son las conexiones más importantes de la red. Fuente: Northwestern University.
Red de trasporte aéreo mundial. Cada enlace, en gris, representa el tráfico de pasajeros entre más de 1.000 aeropuertos del planeta; la red completa tiene más de 35.000 enlaces. Las líneas rojas representan el esqueleto de la red, una estructura arbórea de solo 1.300 enlaces, que son las conexiones más importantes de la red. Fuente: Northwestern University.
Un equipo de investigadores de la Northwestern University de Estados Unidos ha descubierto por vez primera que redes complejas muy distintas –como las redes de tráfico aéreo o las redes neuronales del cerebro- presentan “esqueletos” o estructuras básicas muy similares.

Reduciendo estas redes a sus nodos y enlaces esenciales, los científicos constataron que cada red posee un esqueleto que comparte características comunes con los esqueletos de otras redes, del mismo modo que los vertebrados comparten ciertos rasgos, a pesar de sus diferencias, informa la Northwestern University en un comunicado.

De hecho, los mamíferos han evolucionado de maneras muy diversas a pesar de tener una estructura subyacente común, al igual que la tienen las redes complejas aunque sean distintas unas de otras.

En su estudio, los investigadores analizaron múltiples redes biológicas, tecnológicas y sociales, y descubrieron además que todas ellas habían evolucionado siguiendo los mismos mecanismos básicos de desarrollo.

Cómo se desarrollan las redes complejas

En su proceso de crecimiento, los sistemas complejos -como Internet, Facebook, la red eléctrica, la conciencia humana e incluso las colonias de termitas- generan un comportamiento complejo.

Emerge entonces en ellos, localmente, una estructura sistémica que no está diseñada ni planeada, y que es fruto del trabajo conjunto de los componentes de cada red, que interactúan y se influyen unos a otros dirigiendo la evolución del sistema.

Durante años, los científicos han intentado determinar si estas redes, presentes en diferentes sectores, tienen estructuras nucleares ocultas –columnas vertebrales- y cómo serían dichas estructuras.

De hecho, deducir características estructurales significativas a partir de los datos es uno de los principales retos de la llamada “teoría de redes”, una teoría que tiene aplicaciones en muchas disciplinas: la física estadística o de partículas, las ciencias computacionales, la biología, la economía y la sociología, entre otras.

En general, la teoría de redes se ocupa de analizar gráficos que representan tanto las relaciones simétricas como las asimétricas entre objetos discretos, y se aplica a redes logísticas, a Internet, a las redes de regulación genéticas, a las redes metabólicas, a las redes sociales, etc.

Características universales subyacentes

Para lograr su hallazgo, el ingeniero de la Northwestern University, Dirk Brockmann, y sus colaboradores, Christian Thiemann y Daniel Grady, desarrollaron un método propio de identificación de la estructura nuclear oculta en las redes complejas.

Las redes analizadas con este método fueron de diferentes tamaños (tenían desde cientos de nodos a miles de nodos), y grados de conectividad (algunas de ellas estaban escasamente conectadas y otras densamente conectadas).

A pesar de estas diferencias, los científicos pudieron hallar una estructura nuclear simple y parecida en todas las redes. Esto es, constataron que los esqueletos de los sistemas complejos poseen características universales subyacentes.

Sobre el método empleado, Brockmann explica que su clave está en las siguientes preguntas: ¿Qué elementos de cada red son importantes desde la perspectiva de los nodos? ¿Qué enlaces son los más importantes para cada nodo, y cuál es el consenso entre los nodos?

“De un modo interesante, descubrimos que existe un grado de consenso inesperado entre todos los nodos de una red. Los nodos coinciden en la importancia que se da o no a cada enlace. Casi no hay desacuerdo entre ellos en este sentido”, afirma el autor del estudio.

Esta prominencia de los enlaces –establecida por los nodos- es lo que permite hacer una clasificación segura de los diferentes elementos de las redes, escriben los científicos en un artículo aparecido al respecto en Nature Communications.

En otras palabras, seguir la importancia dada por los nodos a cada enlace de la red permitió a Brockman y a sus colaboradores producir un esqueleto de cada uno de los sistemas complejos analizados. Al comparar los esqueletos generados, estos resultaron ser parecidos entre ellos, a pesar de las diferencias de las redes.

Dirk Brockmann. Fuente: Northwestern University.
Dirk Brockmann. Fuente: Northwestern University.
Posibles aplicaciones

El estudio de las redes complejas desde el “consenso” de los nodos carece de los inconvenientes de otros métodos utilizados previamente para el análisis de este tipo de redes y que, según los científicos, presentan altos grados de arbitrariedad y de dependencia de parámetros.

La metodología de los investigadores de la Northwestern University, por el contrario, es muy consistente y permite identificar los centros y enlaces esenciales de una manera universal no arbitraria.

Los hallazgos realizados podrían resultar particularmente útiles en la comprensión de como se expande a través de una red compleja una enfermedad, un rumor o la información, por ejemplo.

Brockmann afirma que “las enfermedades infecciosas, como la gripe A o el Síndrome respiratorio agudo severo (SARS), se extienden de forma parecida, y resulta que, en esta expansión, el esqueleto (básico) de la red juega un papel importante”.

La comprensión de dicho esqueleto podría ser utilizada en el futuro, por tanto, para predecir cómo va a extenderse cualquier epidemia, concluye el investigador.


Viernes, 8 de Junio 2012
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