Stabilità dei sistemi complessi: studio guidato dall’Università di Parma pubblicato su “Scientific Reports”

Dalla rete neurale del cervello alle reti sociali e a quelle stradali: quali legami, se allentati o rimossi, possono portare un sistema al collasso? Gruppo di ricerca coordinato da Davide Cassi in collaborazione con il Politecnico di Milano e il Centro INRA di Avignone

PARMA – Quali sono le connessioni davvero fondamentali per un sistema complesso? Quali link, se allentati o rimossi, possono portarlo al collasso? Se consideriamo che le reti (dalla rete neurale del cervello alle reti sociali e a quelle stradali, per citarne solo alcune) sono elementi strutturali del mondo concreto in cui viviamo – che è a sua volta una grande rete – l’importanza scientifica del tema è evidente.

Una recente ricerca condotta dall’Università di Parma ha compiuto la più ampia analisi comparativa tra strategie volte a individuare i legami importanti nelle reti reali ad alta complessità. Lo studio è confluito nell’articolo A comparative analysis of link removal strategies in real complex weighted networks, pubblicato sulla rivista scientifica internazionale “Scientific Reports”.

Lo studio è stato condotto da un gruppo di ricerca coordinato da Davide Cassi, docente di Fisica della materia al Dipartimento di Scienze Matematiche, Fisiche e Informatiche dell’Università di Parma, in collaborazione con Francesco Scotognella del Politecnico di Milano e Daniele Bevacqua del Centro INRA di Avignone. Per il Dipartimento di Scienze Matematiche, Fisiche e Informatiche dell’Università di Parma, oltre al prof. Cassi, lo studio ha coinvolto Michele Bellingeri, post doc al Dipartimento ed esperto in sistemi complessi, in qualità di primo autore della ricerca, e Roberto Alfieri, che ha coordinato le simulazioni effettuate tramite la rete di calcolatori per calcolo a elevate prestazioni (High Performance Computing, HPC) dell’Ateneo. L’utilizzo dell’infrastruttura di calcolo HPC dell’Università di Parma ha consentito di raggiungere in poche ore risultati che avrebbero richiesto diverse settimane su calcolatori tradizionali o, per le reti più complesse e di maggior dimensione, che non sarebbe stato possibile ottenere.

Le reti o grafi sono astrazioni matematiche composte da nodi e legami (link) capaci di rappresentare un gran numero di sistemi complessi reali. Il mondo concreto può infatti essere descritto da una moltitudine di reti complesse interconnesse tra loro e funzionanti in parallelo. Il cervello umano è una rete di neuroni che comunicano tra loro tramite sinapsi, e rendono cosi possibile l’intricato funzionamento dell’encefalo, coordinando movimento, ideazione, memoria e molto altro. Le reti sociali sono composte da individui e dalle relazioni che intrattengono: rapporti di amicizia, collaborazione lavorativa o affettiva. Le reti stradali connettono città, luoghi di lavoro e di svago, permettendo lo sviluppo delle relazioni sociali. Data la loro presenza ubiqua, comprendere i meccanismi che governano il funzionamento delle reti reali è un problema interdisciplinare di grande importanza scientifica.

Lo studio pubblicato su “Scientific Reports” propone e compara l’efficacia di undici strategie computazionali nel classificare l’importanza dei legami nelle reti reali. Per capire se un legame è importante nel funzionamento della rete, i ricercatori hanno utilizzato un procedimento di ingegneria inversa, simulando il funzionamento della rete tramite parametri, prima e dopo la rimozione dei legami. I legami che producevano il maggior collasso dei parametri di funzionamento della rete sono stati quindi identificati come importanti per il sistema. Lo studio fornisce metodi generali e interdisciplinari per gerarchizzare l’importanza dei legami tra nodi in reti derivanti da diversi ambiti scientifici.

I ricercatori hanno anche scoperto come i link più importanti per il funzionamento del sistema siano molto spesso i legami sopra cui transita il maggior numero dei cammini più corti tra coppie di nodi. Questi legami fungono da snodi fondamentali nella trasmissione di informazione nella rete e si rivelano componenti cruciali per il funzionamento del sistema. Reti provenienti da ambiti del reale molto differenti tra loro, dai sistemi neurali ai legami di amicizia, fino alle connessioni intercorrenti tra aeroporti, possiedono caratteristiche comuni e universali di struttura. Questa similarità di struttura preluderebbe a una più profonda somiglianza di funzionamento ed evoluzione tra reti, aprendo la strada a future indagini volte a chiarire i meccanismi fondanti i sistemi che sostengono la complessa rete-mondo in cui viviamo.