Purskeisuus samanlaista erilaisissa komplekseissa järjestelmissä
01.06.2012
Monien kompleksien järjestelmien toiminta jaksottuu tyypillisesti lyhyisiin aktiivisiin ajanjaksoihin ja pidempiin hiljaisiin kausiin. Purskeisuudeksi kutsuttua ilmiötä voidaan mallintaa ja ennustaa matemaattisten algoritmien avulla. Aalto-yliopiston lääketieteellisen tekniikan ja laskennallisen tieteen laitoksen tutkijatohtori Márton Karsain vetämä ryhmä on nyt osoittanut, että purskeisuudella on ominaisuuksia, jotka ovat yhteisiä hyvin erilaisille järjestelmille.
Karsai on yhdessä Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulun dekaani Kimmo Kasken, Aalto-yliopiston FidiPro-professori Jásnos Kertészin ja maailmankuulun fyysikon ja verkostoteoreetikon Albert-László Barabásin kanssa tutkinut purskeisuutta ihmisten välisessä mobiili- ja sähköpostiviestinnässä, hermosoluverkkojen toiminnassa sekä maanjäristysten seismisessä aktiivisuudessa. Tulokset on julkaissut hiljattain Nature Scientific Reports.
– Olemme saaneet esiin täysin uusia, universaaleja piirteitä eri järjestelmien purskeisessa käytöksessä. Olemme nyt askeleen edellä tutkimusalan viimeisimpiä oletuksia purskeisuuden luonteesta, Karsai arvioi ryhmänsä työn merkitystä.
Ihminen viestii kuten maa järisee tai hermosoluverkot leimahtavat
Karsain ryhmän tutkimus keskittyi purskeisuuden dynamiikkaan eli aktiivisuuden tason vaihtelun mekanismeihin ajan kuluessa. Soitamme esimerkiksi useita puheluita ja lähetämme monia sähköposteja lyhyen ajan sisällä ja muutoin juurikaan emme. Hermosoluverkot sykkivät ja maa järisee samankaltaisissa jaksoissa.
Yhteyksiä ei ole ainoastaan eri toisiaan seuraavien tapahtumien välillä vaan myös purskeisten jaksojen sisäisten tapahtumien välillä. Systeemeille on siis yhteistä se, että purskeet eivät kehity niinkään pareittain, kuten aiempien mallinnusmenetelmien perusteella on uskottu, vaan pikemmin pitkissä ketjuissa.
– Havaitsimme, että purskeet eivät ole itsenäisiä tapahtumia vaan pikemmin klustereita, jotka ovat kehittyneet pitkissä, useiden toisistaan riippuvaisten tapahtumien ketjussa. Universaalit piirteet purskeisuudessa ovat peräisin juuri tapahtumaketjujen laajuuden jakautumisesta ja skaalautumisesta hyvin samalla tavalla ihmisten viestinnässä, neuroniverkoissa ja maanjäristyksissä, Karsai kuvailee ryhmänsä uraauurtavaa tulosta.
Kaikkia järjestelmiä luonnehti jonkinlainen kynnysmekanismi ja prosessien sisäinen muisti. Maa järisee, kun kerääntynyt rasitus purkautuu, ja yhdellä järistyksellä saattaa olla monia jälkijäristyksiä.
Yksi neuronien reaktiokynnyksen ylittänyt ärsyke saattaa laukaista pitkiä toimintaketjuja. Ihminen taas tekee viestinnässään jatkuvasti valintoja lukemattomien eri vaihtoehtojen väliltä: yhtä puhelua tai sähköpostia seuraa monesti useampi.
– Nämä korrelaatiot voidaan tulkita yksinkertaiseksi muistiprosessiksi, jossa kunkin systeemin todellinen tila ei riipu ainoastaan sen edellisestä vaiheesta vaan kaikista purskeen ketjun tapahtumista, jotka ovat tilaan johtaneet, Karsai huomauttaa.
– Toivomme, että tuloksemme auttavat saamaan esille toistaiseksi tuntemattomia piirteitä kompleksien järjestelmien heterogeenisesta toiminnasta ajassa. Menetelmäämme voi soveltaa monilla tieteen- ja tekniikan aloilla ja myös liiketoiminnassa. Esimerkiksi ihmisten viestintäkäyttäytymistä ennustamalla voidaan suunnitella paremmin tietoliikenteen resurssien käyttöä tai liiketoimintamalleja palveluntarjoajille.
Márton Karsai, Kimmo Kaski, Albert-László Barabási & János Kertész (2012) 'Universal features of correlated bursty behavior', Nature Scientific Reports (2) 397.
Artikkeli verkossa (nature.com)
Lisätietoja:
Márton Karsai
marton.karsai [at] aalto [dot] fi
puh. 050 512 4292
Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu
Lääketieteellisen tekniikan ja laskennallisen tieteen laitos
