חוקרים מאוני' בר-אילן פיתחו waze לרשתות ביולוגיות

חוקרים מאוניברסיטת בר-אילן פיתחו מערכת ניווט לרשתות, מעין waze  שחושפת את דפוסי הזרימה של הרשת ומפענחת אילו צמתים וקישורים מאפשרים זרימה יעילה ואילו מהווים "פקקי תנועה" של זרימת מידע ברשת. מאמר על המחקר שערך הדוקטורנט עוזי חרוש, בהנחייתו של פרופ' ברוך ברזל, מהמחלקה למתמטיקה באוניברסיטת בר-אילן, פורסם ב-nature communications.

לדברי החוקרים, רשתות מורכבות מהוות מפה שמאפשרת לנו להבין את המבנה ולנווט בסבך של מערכות ביולוגיות, חברתיות וטכנולוגיות. לדוגמה, במוח - רשתות ממפות את מערכת הקשרים בין הנויירונים, בתא - הן מתארות איזה גנים מפעילים או משתיקים גנים שכנים, וברשת החברתית - הן ממפות את הקשרים שלאורכם מתפשטות מחלות, שמועות ואופנות.

עוזי חרוש ופרופ' ברוך ברזל במעבדה(צילום: קיילי אביסידון)

החוקרים הוסיפו כי רשתות מסייעות לנו לפצח את המורכבות של המערכות האלו, בכך שהן ממפות עבורנו את דפוסי ההתפשטות של אינפורמציה בין הנקודות השונות. למשל, ההתפשטות של סיגנלים חשמליים בין נוירונים, זרימה של מידע כימי בין גנים בתא, או ההתפשטות של וירוסים (גם צורה מסוימת של אינפורמציה) בין בני אדם ברשת החברתית.

לדברי חרוש, "האתגר הוא שהרשתות מהוות מפה סטטית - הן מתארות מבנה, כמו מפת דרכים, אך אינפורמציה יכולה לזרום בדרכים שונות גם אם המבנה זהה. לשם כך דרוש לנו waze, שיתאר כמה אינפורמציה זורמת דרך כל קישור וכל צומת".

"במאמר שפורסם אנחנו מפתחים לראשונה, על ידי כלים מתמטיים, את הניבוי הנחשק: איך 'להפיח חיים' ברשת הסטטית ולחשוף את דפוסי הזרימה שלה, אילו צמתים מאפשרים זרימה יעילה ואילו מהווים 'פקקי תנועה' של זרימת מידע ברשת", מסביר חרוש. "למשל, אם צומת מסוים מרכזי מאוד בזרימת אינפורמציה - נוכחותו מאפשרת למידע לעבור ביעילות בין אזורים ברשת. צמתים אלה יכולים לייצג גנים שמקשרים בין תפקודים שונים בתא, או בני האדם שתורמים רבות להתפשטות מגיפה (ולכן מהווים מועמדים לחיסון או לטיפול).

"התגלית שלנו היא שהתרגום המקובל בין המפה לזרימת אינפורמציה מחמיץ את העושר הקיים בדפוסי ההתפשטות. לדוגמה, מקובל להניח שהצמתים המקושרים ביותר (HUBS) הם גם העורקים שדרכם מידע מתפשט ברשת. לעומת זאת, אנו מראים, לראשונה, שהתופעה תלויה בטיב האינטראקציה - לעיתים המידע אכן זורם דרך המסלולים הראשיים (אדום), לעיתים הוא זורם באופן 'דמוקרטי', מבוזר על כל רכיבי הרשת (ירוק), ולעיתים המידע מתועל דווקא דרך המסלולים הפריפריאליים (כחול) - דפוס זרימה לחלוטין בלתי צפוי, שהתאוריה שלנו חושפת לראשונה".

פרופ' ברוך ברזל מסביר: "על אוזנו של מי עליי ללחוש כדי להפיץ מידע ביעילות? המחשבה הסטנדרטית היא לאתר את הדמות המקושרת ביותר. אולם אם מדובר במערכת מהסוג הכחול - עליי לכוון דווקא לצמתים הכי פחות מקושרים, שכן אינפורמציה מעדיפה דרכים צדדיות על פני מסלולים ראשיים.

"כדוגמה ליישום - עקבנו אחרי התפשטות מגיפה ברשת התעופה העולמית. עורקי הזרימה מייצגים את מסלולי התקדמות המחלה, בהם נרצה כמובן לטפל, על מנת לצמצם את יעילות ההתפשטות. בניגוד לתפיסה המקובלת - לחסן את ה-HUBS - השיטה שלנו חשפה שבשלבים מתקדמים יותר של המחלה זרימת האינפורמציה מתרכזת בשוליים של הרשת. בדומה ל-waze שמנבא - על אותה מערכת כבישים - דפוסי זרימת תנועה שונים בין בוקר לצהריים, גם השיטה שלנו מראה שעל אותה רשת (תעופה) המידע (וירוסים) זורם באופן שונה בראשית ימי המגיפה מול שלביה המתקדמים יותר. יישום זה מעיד על ההבדל העצום שבין המפה הסטטית (שאינה משתנה), לזרימה הדינמית של מידע (שמשתנה עם הזמן) - יישום שהיה בלתי אפשרי ללא התיאוריה שפיתחנו".