Wat doen 'Bohemian Rhapsody,' 'Macbeth, "en 'n lys van Facebook vriende almal in gemeen het?

Nuwe navorsing gepubliseer in Nature Physics gebruik gereedskap van netwerk wetenskap te verduidelik hoe kompleks kommunikasienetwerke doeltreffend groot hoeveelhede inligting kan oordra aan die menslike brein. Onder leiding van postdoc Christopher Lynn, gegradueerde studente Ari Kahn en Lia Papadopoulos, en professor Danielle S. Bassett, die studie het bevind dat verskillende tipes netwerke, insluitend dié wat in werke van literatuur, musiek stukke en sosiale konneksies, het 'n soortgelyke onderliggende struktuur wat hulle in staat stel om inligting vinnig en doeltreffend te deel.

Tegnies gesproke, 'n netwerk is bloot 'n statistiese en grafiese voorstelling van verbindings, bekend as rande, tussen verskillende eindpunte, genoem nodes. In stukke literatuur, byvoorbeeld, 'n knoop kan 'n woord wees, en 'n voorsprong kan woorde te verbind wanneer hulle volgende verskyn aan mekaar ( "my", "koninkryk", "vir", " 'n", "perd") of wanneer hulle oor te dra soortgelyke idees of konsepte ( "geel", "oranje", "rooi").

Die voordeel van die gebruik netwerk wetenskap aan studie dinge soos tale, sê Lynn, is dat wanneer verhoudings gedefinieer op 'n klein skaal, navorsers kan dié verbindings gebruik om afleidings oor struktuur 'n netwerk se maak op 'n veel groter skaal. "Sodra jy die knope en rande te definieer, kan jy uit te zoomen en begin om te vra oor wat die struktuur van hierdie hele voorwerp lyk en waarom dit daardie spesifieke struktuur," sê Lynn.

Bou op onlangse studie van die groep se dat modelle hoe die brein verwerk komplekse inligting, het die navorsers ontwikkel 'n nuwe analitiese raamwerk vir die bepaling van hoeveel inligting 'n netwerk oordra en hoe doeltreffend dit is in die oordra van die inligting. "Ten einde die doeltreffendheid van die kommunikasie te bereken, jy 'n model van hoe die mens ontvang die inligting nodig het," sê hy.

Met hierdie analitiese raamwerk, die navorsers geëvalueer 40 werklike wêreld kommunikasienetwerke om te sien wat kenmerke was van kardinale belang vir die kommunikasie van inligting. Hulle kyk na werke van Engelse letterkunde, insluitend die kanon van Shakespeare en Jane Austen se "Pride and Prejudice," saam met musikale stukke soos Mozart se Sonate No 11 en Queen's "Bohemian Rhapsody." Hulle bestudeer ook netwerke van sosiale verhoudings, insluitend mede-outeurskap netwerke in wetenskap en Facebook vriend verbindings.

Na te kyk na hierdie diverse groep van netwerke, het die navorsers bevind dat die grootskaalse struktuur van 'n netwerk is noodsaaklik om die vermoë van die netwerk om inligting oor te dra. Wat was verbasend was net hoe soortgelyke hierdie struktuur was oor die verskillende netwerke, of die netwerk is verteenwoordig naamwoord oorgange in 'n werk van die letterkunde of melodiese progressies in 'n musiekstuk.

Wat maak hierdie netwerke beide inligting-ryk en doeltreffende is 'n balans tussen die twee belangrikste netwerk funksies bekend as "gemeenskap" struktuur en "skeef" struktuur. Gemeenskap struktuur vind plaas wanneer nodes klont saam en vorm clusters wat roep verwante konsepte. Sê die woord "hond" te bring na vore "bal", "Frisbee," of "been," byvoorbeeld. Sulke gemeenskap struktuur help om netwerke doeltreffender omdat 'n persoon kan verwag wat woord of idee volgende kan kom.

Maar as 'n persoon kan verwag wat volgende kom, sal daar nie wees nie veel inligting oorgedra omdat inligting direk verband hou met verbasing. Om inligting te verskaf, netwerke het 'n "heterogene" mengsel van beide goed verbind en yl verbind nodes het. Neem die werke van Shakespeare as 'n voorbeeld. Terwyl "die" en "en" gebruik 28.944 en 27.317 keer, onderskeidelik, is daar ook 12.493 woordvorme wat net een keer voorkom. "Op 'n spilpunt soos," die "jy kan nie verwag waar jy staan ​​op die punt om te gaan," sê Lynn. "Dit blyk dat hierdie sentrum nodes is regtig belangrik vir die opwekking van surprisal of, anders gestel, inligting."

Wat is fassinerend om Lynn is hoe die balans tussen heterogene en gemeenskap struktuur is die sleutel vir die skep van netwerke wat beide inligting-ryk, maar ook maklik om te interpreteer. "Mense het hierdie twee strukture vir 'n lang tyd bestudeer; hulle is twee van die fundamentele konsepte van netwerk wetenskap," sê hy. "Hierdie studie gee 'n verduideliking vir waarom sommige van hierdie netwerke gestruktureer die manier waarop hulle is:. Omdat hulle probeer om inligting doeltreffend te kommunikeer Dit is wat ek dink die coolste deel is," sê hy.

Die navorsers sal hierdie werk voort te sit deur die uitbreiding van die tipes kommunikasie netwerke hulle evalueer, met die doel van soek na tendense oor tyd en vir verskille en ooreenkomste tussen die werke van ander tale en kulture. "Ons is ook veral geïnteresseerd om te baken hoe doeltreffende kommunikasie is wat verband hou met foutkorreksie," sê Bassett. "Ons voorlopige bevindinge dui daarop dat werklike wêreld netwerke help die mens outomaties korrek vir hul eie foute."

Hierdie navorsing is in die eerste plek deur die Amerikaanse weermag Navorsingskantoor deur DCIST-W911NF-17-2-0181 en deur die National Science Foundation deur 'n CAREER toekenning, PHY-1554488.