Redes competitivas biológicas

Cuando las redes compiten entre ellas
Publicado por Javier M. Buldú - Las redes complejas sin complejos


Una colaboración entre científicos del Centro de Tecnología Biomédica y el Centro de Astrobiología (CSIC-INTA) parece haber dado con la clave para explicar los procesos de conexión y competición entre redes y predecir, antes de que se produzcan, las consecuencias de dicho fenómeno. Los resultados han sido publicados en la revista Nature Physics y prometen tener gran repercusión en el estudio de las Redes Complejas. Mediante un desarrollo matemático basado en la teoría de perturbaciones, se ha conseguido explicar el estado final de la conexión entre varias redes partiendo únicamente del estado previo a la conexión. “Conociendo únicamente la naturaleza de las redes que entran en competición al ser conectadas, podemos predecir cuáles serán las consecuencias de dicha conexión y elegir los nodos –o elementos- conectores que más beneficiarán a una u otra red” explica Jacobo Aguirre, del Centro de Astrobiología. Los resultados son fruto de dos años de trabajo combinados con, según admiten sus autores, algo de suerte. “La idea surgió estudiando las conexiones entre redes biológicas relacionadas con procesos evolutivos de poblaciones de RNA (ácido ribonucleico): en muchos casos, una de las redes absorbía la práctica totalidad de la población y no entendíamos la razón” comenta Aguirre. A partir de ahí, un largo camino de cálculos analíticos y simulaciones numéricas les llevó a dar con la solución: el estado final sólo dependía de los nodos que actuaban como conectores entre ambas redes y de lo “fuerte” que era cada una de las redes antes de conectarse. “Lo sorprendente es que pequeñas variaciones en estas cuestiones puede cambiar radicalmente el resultado final de la competición. De esta forma, una red débil puede ganar a otra más fuerte o por el contrario ser barrida por ella en función de cómo se conecten entre sí” explica Aguirre.


Fig.1.- Fragmento de la Red de Blogs sobre política en Estados Unidos (año 2004). En rojo, red de blogs de carácter conservador y en azul, red de blogs de carácter liberal. El tamaño de los nodos es proporcional a su importancia estructural en la red, también llamada centralidad. Cualquier proceso de difusión de ideas mediante blogs estará condicionado por la red de conexiones entre nodos y entre redes. Una red con mayor centralidad fomentará la difusión de ideas de una manera más efectiva. Más información en “Successful strategies for competing networks” por J. Aguirre, D. Papo y J.M. Buldú, Nature Physics, en prensa, doi:10.1038/nphys2556  (2013).

Lo más interesante de los resultados es su potencial aplicación a una gran diversidad de sistemas. Supongamos por ejemplo dos ecosistemas aislados donde existe una red de relaciones tróficas (o alimentarias) entre especies y cuyo equilibrio se mantiene en el tiempo. En el momento en que una o más especies de cada ecosistema entran en contacto, las cadenas alimentarias de ambos ecosistemas se alteran, pudiendo producir un beneficio (o perjuicio) en alguno de los dos ecosistemas. Gracias a la nueva teoría propuesta en este trabajo, es posible avanzar cuáles serán las consecuencias de la conexión entre ambos ecosistemas, e identificar qué especies se deberían elegir para beneficiar a uno u otro ecosistema. Javier Buldú, del Centro de Tecnología Biomédica, avanza que “nuestros resultados permiten identificar qué redes están siendo perjudicadas por la conexión con otras redes, cuantificar ese perjuicio y proponer posibles estrategias de conexión para mejorar la situación actual”. Según Buldú, las aplicaciones a las redes sociales son claras ya que ahora es posible comprender cómo la conexión entre dos comunidades afecta a la importancia de cada uno de los individuos en una red social: “Cuando agregamos a un nuevo amigo en Facebook, estamos creando un nuevo flujo de información entre nuestra red de contactos y la red de nuestro nuevo amigo. Las consecuencias de la nueva conexión afectan a ambos grupos y no solamente a los individuos conectores”. Con esta nueva metodología, es posible analizar cómo el flujo de información dentro de una red se ve alterado por conexiones con otras redes, cuantificar cómo está siendo la difusión de información dentro de cada una de las redes e identificar cuál de ellas está  siendo más eficaz.
Otro de los retos es trasladar las posibles aplicaciones de esta nueva teoría al conocimiento de las redes cerebrales. David Papo, científico israelí especializado en neurociencias, comenta que “durante cualquier actividad cognitiva, nuestro cerebro actúa como una compleja red de comunicaciones donde, a su vez, se pueden identificar diversas subredes. Sería fundamental entender cómo estas subredes están conectadas entre sí, y si la conexión entre ellas está potenciando el papel de alguna de ellas”. Aunque es pronto para avanzar resultados, Papo y sus colaboradores están trabajando en la aplicación de estos resultados al análisis de señales cerebrales obtenidas mediante magneto-encefalografía. “Sería clave poder ver diferencias en las conexiones entre subredes en un individuo sano y un paciente con una determinada patología. Nos ayudaría a entender por qué distintas enfermedades provocan el fallo de una determinada actividad cognitiva” apunta Papo.
Los autores del estudio se muestran optimistas sobre las potenciales aplicaciones de su trabajo y, aunque ya han demostrado su validez en diferentes redes reales, están trabajando en nuevas posibilidades. De momento, sus resultados han merecido el reconocimiento de la revista Nature Physics, y esperan que el trabajo ayude a comprender mejor la naturaleza de los sistemas que pueden ser modelizados mediante una red de conexiones.


Puede leer el artículo completo en (www.nature.com/nphys): “Successful strategies for competing networks” por J. Aguirre, D. Papo y J.M. Buldú, Nature Physics, doi:10.1038/nphys2556 (2013).