Συσχέτιση Υπολογιστικών και Νευρικών [βιολογικών] Δικτύων και το μέλλων της Νευρωνικής

Λεπτομέρειες

Κατηγορία: Τεχνολογία & σχετικά

Τελευταία Ενημέρωση στις Δευτέρα, 30 Δεκεμβρίου 2013 15:58

Δημοσιεύτηκε στις Παρασκευή, 21 Οκτωβρίου 2011 00:32

Γύρω μας διαπιστώνουμε όλο και περισσότερο περίπλοκα συστήματα. Χρειάζονται κάποιες εκατοντάδες δικτυωμένων υπολογιστών για να κρατήσουν ένα υπερσύγχρονο αεροπλάνο στο αέρα κι επίσης κάποιες χιλιάδες γονιδίων για να συγκροτήσουν και να συντηρήσουν ένα ζωντανό οργανισμό.

Με μια πρώτη ματιά όμως όλα αυτά δεν μας φαίνονται τόσο περίπλοκα. Αυτό συμβαίνει γιατί η πολυπλοκότητα κρύβεται στα δίκτυα των αλληλεπιδράσεων, μεταξύ των βασικών κομματιών-συστατικών που αποτελούν το σύστημα. Ερευνητές από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας και του Πανεπιστημίου του Μίτσιγκαν, προσπαθούν να ξετυλίξουν τους μαθηματικούς κανόνες που διέπουν διάφορα περίπλοκα δίκτυα. Η μελέτη τους έδειξε ότι υπάρχουν σημαντικές ομοιό-τητες στη δικτυακή συμπεριφορά των φυσικών και των μηχανικών συστημάτων.

Οι ερευνητές εντυπωσιάστηκαν από την "μηχανική" σχεδίαση των βιολογικών δικτύων. Τα δύο συστήματα (φυσικά και τεχνητά) κατασκευάζονται από εντελώς διαφορετικά υλικά και θα περίμενε κανείς να έχουν και εντελώς διαφορετική συμπεριφορά και "συνεργασία" μεταξύ τους. Αν βρεθούν τα μαθηματικά που "κρύβονται" πίσω από την πολυπλοκότητα, μπορεί να βοηθήσει να λυθούν διάφορα βιολογικά μυστήρια και να βοηθήσουν στην εξάπλωση των συνεχώς αυξανόμενων αλληλένδετων δικτύων.

Ο τύπος της πολυπλοκότητας στα βιολογικά συστήματα πολλές φορές κρύβεται πίσω από τις ιδανικές συνθήκες που επικρατούν στο εργαστήριο. Αυτό συμβαίνει γιατί αυτό που κερδίζει η Βιολογία από την πολυπλοκότητα είναι μια δύναμη αναπαραγωγής ή μια πιθανότητα να ανταπεξέλθει σε μεταβαλλόμενες συνθήκες περιβάλλοντος που δεν υπάρχουν στο εργαστήριο. Το ίδιο ακριβώς συμβαίνει σε ένα αεροπλάνο όταν δοκιμάζεται σε ένα πείραμα αντοχής αέρα στο εργαστήριο. Και τα τεχνητά και τα βιολογικά δίκτυα έχουν υψηλού επιπέδου συμπεριφορά η οποία είναι σχετικά παρόμοια Σε ένα δίκτυο υπολογιστών για παράδειγμα μια συμπεριφορά είναι η μεταφορά ενός φακέλου, ενώ στο ανθρώπινο σώμα η διατήρηση της θερμοκρασίας.

Στη βάση τους και τα δύο συστήματα είναι φτιαγμένα από λίγα βασικά δομικά υλι-κά. Όλη η επεξεργασία στους υπολογιστές βασίζεται σε ένα μικρό σύνολο ορισμέ-νων λογικών διεργασιών. Παρομοίως, οι περισσότεροι οργανισμοί χρησιμοποιούν τα ίδια κωδικόνια, τα οποία είναι ομάδες τριών συνεχόμενων βάσεων που αποτελούν, τις περισσότερες φορές, το όνομα ενός αμινοξέος, στην αλφάβητο του DNA. Tα αμινο-ξέα χρειάζονται για να συντεθούν τα διάφορα είδη πρωτεϊνών, οι οποίες συνεργά-ζονται μεταξύ τους για να διεκπαιραιώσουν όλες τις λειτουργίες της ζωής.

Η απλότητα παρατηρείται σε συμπεριφορές των ανώτερων και των χαμηλότερων επιπέδων λειτουργίας. Τα ενδιάμεσα στρώματα δεν είναι τόσο απλά. Αυτό δεν σημαίνει ότι δεν υπακούουν σε κάποιες αρχές.Οι ερευνητές βρήκαν ότι οι ίδιες αρχές διέπουν και τα τεχνητά (artificial) και τα βιολογικά συστήματα. Ένα κλασικό παράδειγμα είναι το Internet το οποίο δείχνει παρόμοια συμπεριφόρα με την Eξέλιξη στη Βιολογία.

Τα πρωτόκολλα, τα υπολογιστικά προγράμματα δηλαδή που καθορίζουν τους κανόνες και τις ρυθμίσεις του δικτύου αποτελούν το κρυμμένο στρώμα της πολυπλοκότητας που διατηρεί την σχετικά ομαλή λειτουργία του δικτύου. Το δίκτυο στο ανώτερο επίπεδό του π.χ. στην μεταφορά ενός φακέλου φαίνεται απλό.

Εκτός από την αυτήν την παρόμοια απλή δομή και συμπεριφορά τα δύο συστήματα δείχνουν μια ευρωστία ή πιο απλά μια ικανότητα προσαρμογής. Η προσαρμοστικότητα είναι το στοιχείο που επιτρέπει στους βιολογικούς οργανισμούς να αναπτύσσονται σχεδόν σε οποιοδήποτε περιβάλλον στη γη συμπεριλαμβανομένων υδρο-θερμικών πηγών, 2600 μέτρα κάτω από τον ωκεανό, όπου οι θερμοκρασίες προσεγγίζουν το σημείο βρασμού και η πίεση είναι τρομακτική αλλά το μονοκύτταρο μικρόβιο Methanococcus jannaschii επιβιώνει και αναπτύσσεται. Η προσαρμοστικότητα αυτή κρύβεται στις αλληλουχίες των κωδικονίων του DNA και στα γονίδια που αυτά συντελούν.Παρόλο που το βακτήριο Escherichia coli χρειάζεται λιγότερα από 300 γονίδια περιέχει περίπου 4000.

Παρόλη την προσαρμοστικότητα που διαθέτουν, η πολυπλοκότητά τους δίνει και μια ιδιαίτερη ευαισθησία. Παρόλο που μεγάλοι πολυκύτταροι οργανισμοί παραμένουν ανεπηρέαστοι από τον θάνατο κάποιων κυττάρων, δυσλειτουργίες σε μεσαίου επιπέδου λειτουργίες από ένα ή περισσότερα κύτταρα μπορούν να προκαλέσουν σημαντικά προβλήματα σε όλο τον οργανισμό όπως καρκίνο ή ανεπαρκή ανοσοποιητικό μηχανισμό. Αυτά τα προβλήματα οφείλονται στην πολυπλοκότητα των συνδέσεων σε αυτό το επίπεδο.

Το ίδιο ευαίσθητα είναι και τα μηχανικά δίκτυα. Παρόλο π.χ. που ένα δίκτυο υπολογιστών δουλεύει κανονικότατα σε επίπεδο λειτουργικού συστήματος αλλά και μηχανικού εξοπλισμού (hardware) ένας μικρός ιός μπορεί να προκαλέσει τόσο σημαντική δυσλειτουργία που να σταματήσει η λειτουργία του υπολογιστή ή του δικτύου που συμμετέχει. Ολόκληρο το δίκτυο μπορεί να κατταρεύσει εξαιτίας ενός μικρού ιού. Κανείς δεν μπορεί να αρνηθεί ότι το παραπάνω μοιάζει πάρα πολύ με αυτό που συμβαίνει σε βιολογικά συστήματα όπου μια επιδημία ή μια φωτιά σε ένα δάσος κ.τ.λ. προκαλούν ολική καταστροφή του συστήματος που συμμετέχουν.

Εξαιρετικά ευαίσθητα επίσης είναι πολύπλοκα τεχνητά δίκτυα, που δημιουργούν ακόμα πιο μεγάλα δίκτυα. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι αυτό της 11ης Σεπτεμβρίου στην Αμερική. Η καταστροφή ήταν τόσο μεγάλη γιατί μπόρεσε και επέδρασε όχι σε ένα δίκτυο αλλά σε δίκτυο δικτύων. Οι τρομοκράτες χρησιμοποίησαν ένα πολύπλοκο εργαλείο-ένα αεροπλάνο για να επιδράσουν σε ένα άλλο πολύπλοκο, ένα κτίριο. Συγκεκριμένα δύο αεροπλάνα για δύο κτίρια. Η καταστροφή προχώρησε ακόμα περισσότερο γιατί τα κτίρια αυτά αποτελούσαν το Κέντρο του Παγκόσμιου Εμπορίου και αυτό συνεχίστηκε γιατί από αυτό εξαρτιόταν πάρα πολλά χρηματιστήρια. Μόνο όταν χρησιμοποιήσεις δίκτυα εναντίον δικτύων μπορείς να πετύχεις τόσο μεγάλα γεγονότα.

Οι ερευνητές αυτό το διάστημα επανακαθορίζουν τη θεωρία εξερευνώντας τις ομοι-ότητες μεταξύ των μαθηματικών του πραγματικού κόσμου που με πρώτη ματιά δεν φαίνονται σχετικές. Τα μαθηματικά πίσω από την θεωρία αυτή για το Internet και την Βιολογία μπορεί να έχουν σημαντικές ομοιότητες αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι φαίνο-νται έτσι σε ειδικούς σε αυτά τα θέματα

Οι σκέψεις αυτές πάντως εφαρμόζονται στο λογισμικό ελέγχου πολύπλοκων συστημάτων που χρησιμοποιούνται στην πολεμική και μεταφορική αεροπορία, στην βιομηχανία και στα έξυπνα όπλα. Τα μοντέρνα αεροπλάνα αλλά και αυτοκίνητα είναι σχεδιασμένα με πολύπλοκα υπολογιστικά συστήμα που δεν ασχολούνται με τις βασικές δομές των συστημάτων τους αλλά με πολύπλοκα δίκτυα των συστημάτων αυτών. Η πολυπλοκότητα αυτών των δικτύων είναι που τα κάνει τόσο δυνατά. Επίσης οι θεωρίες αυτές μπορούν να εφαρμοστούν και να δώσουν απαντήσεις σε πολύπλοκα βιολογικά συστήματα ή για να βελτιώσουν άλλα τεχνιτά δίκτυα.

Αυτό το καιρό στη Βιολογία δίνεται ιδιαίτερη προσοχή όχι στα μοναδικά μόρια ή πρωτεΐνες αλλά στη μελέτη των πολύπλοκων δικτύων και μονοπατιών που αυτά συνθέτουν για να ρυθμίσουν και να έχουν τον έλεγχο της ζωής. Για να εξηγήσουμε τα διάφορα βιολογικά μονοπάτια θα πρέπει να έχουμε το ίδιο πολύπλοκες θεωρίες με τα μηχανικά συστήματα ή περισσότερο πολύπλοκες. Σίγουρα πάντως δεν θα είναι πιο απλές. Όπως ένα λογισμικό αποτελείται από 100.000 γραμμές κώδικα έτσι και το βιολογικό σύστημα περιέχει τέτοιου είδους πολυπλοκότητα.

Καθημερινά στις ζωές μας μπαίνουν όλο και περισσότερα τεχνικά δίκτυα που αφορούν την πολιτική, την υγεία, την ενέργεια και την μεταφορά δεδομένων. Καθώς αυτά αυξάνονται συνεχώς υπάρχουν, πάντοτε και ταυτόχρονα, και πρωτοφανείς ελπίδες αλλά και πρωτοφανείς κίνδυνοι. Όταν αυτά τα δίκτυα δεν υπήρχαν, δεν μπο-ρούσε ένας κεραυνός να σταματήσει την ηλεκτροδότηση σε 5 πόλεις, δεν μπορούσε ένας χάκερ από την Ελλάδα να "ρίξει" ένα site στην Αμερική, δεν μπορούσε ένας ιός υπολογιστή να προκαλέσει μεγάλη καταστροφή.

Αυτά τα καταστροφικά γεγονότα δεν μπορούν να αποφευχθούν από τη στιγμή που τα δίκτυα που αναπτύσσονται είναι ελάχιστα απομονωμένα το ένα από το άλλο.
Αφού ο κόσμος που ζούμε γίνεται όλο και πιο συνδεδεμένος μέσω διαφόρων δικτύων όλα θα εξαρτηθούν από το πόσο καλά θα καταλάβουμε την πολυπλοκότητα αυτών των δικτύων και την αλληλεπίδραση μεταξύ τους.

Το άρθρο επιμελήθηκε ο κ. Ιωάννης Καρπουχτσής
Πηγή: http://www.sciencenews.gr