Schädigungstoleranz hierarchisch-modularer Netzwerke: Wie vielskalige Biosysteme trotz Schädigung funktionieren.

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Paolo Moretti, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 394689530

Schädigungstoleranz (Resilienz), also die Fähigkeit, Funktionalität trotz struktureller Schäden aufrechtzuerhalten, ist ein zentrales Thema in der Untersuchung biologischer Netzwerke. Viele Biosysteme verkörpern im wörtlichen Sinne die Fähigkeit, trotz äußerer Störungen und Schädigungen zu funktionieren, und es wird vermutet, dass diese Fähigkeit aus der Netzwerkstruktur dieser Systeme resultiert. Das Konzept der Schädigungstoleranz wurde eingeführt, um das Verhalten komplexer technischer und sozialer Netzwerksysteme wie z.B. Stromnetze oder Kommunikationsnetzwerke beim Ausfall von Verbindungen oder Komponenten zu untersuchen und zu modellieren. Dabei wurde herausgefunden, dass skalenfreie Netzwerkstrukturen, welche um ein Skelett stark verknüpfter Knotenpunkte organisiert sind, bei zufälligem Ausfall von Verknüpfungen oder Knoten insofern außerordentliche Stabilität aufweisen, als sie den Zusammenhalt des gesamten Netzwerks sehr lange aufrecht erhalten können. Die jüngsten Fortschritte im Bereich der experimentellen Darstellung von Biosystemen zeigen aber, dass viele biologische Netzwerke (z.B. Gehirnkonnektom, Genregulationsnetzwerke, Collagenfasernetzwerke in Biomaterialien) von dem Paradigma skalenfreier Netzwerke klar abweichen und stattdessen hierarchisch-modulare Netzwerkstrukturen (HMN) aufweisen. Allerdings liegt bisher keine detaillierte Untersuchung vor Schädigungseffekten in HMN vor. Das vorliegende Projekt will diese Lücke schließen und eine umfassende numerische Untersuchung der Schädigungstoleranz von HMN vorlegen, die als Modelle für Biosysteme dienen können. Außerdem ist zu fragen, inwieweit systemweiter Zusammenhalt als Hauptkriterium für die Funktionalität biologischer Netzwerke taugt, da beim Funktionieren solcher Netzwerke oft nicht systemweiter Transport, sondern die Erfüllung vielfacher und lokal differenzierter Aufgaben im Vordergrund stehen. Es ist zu vermuten, dass komplexere Indikatoren für Resilienz im Sinne der Fähigkeit zur Aufrechterhaltung komplexer Dynamiken im Netzwerk erforderlich sind, um dieser Multifunktionalität Rechnung zuu tragen. Hierzu verwenden wir Konzepte aus der Netzwerktheorie und wenden sie auf Schädigungsmodelle an, die sowohl den zufälligen Ausfall von Verbindungen oder Knoten als auch deren aktivitätskontollierten Ausfall betrachten. Wir untersuchen, wie Schädigung die strukturelle Morphologie von HMNs und zugehörige Parameter, insbesondere die Netzwerkdimension, beeinflusst, und welche Auswirkungen diese Veränderungen auf dynamische Prozesse im Netzwerk haben. Wir wenden diese Methoden sowohl auf computererzeugte Modellnetzwerke als auch auf experimentelle Daten an, wobei wir Netzwerkrepräsentationen des Gehirnkonnektoms als Beispiel eines schädigungstoleranten Biosystems untersuchen. Ziel ist es, Untersuchungswerkzeuge zu entwickeln, die dann auch zur Charakterisierung von Schädigungstoleranz in anderen Biosystemen angewandt werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen