Wiederbelebung eines ausgefallenen Netzwerks durch mikroskopische Eingriffe

Netzwerke sind Systeme, die aus vielen Komponenten bestehen, die über eine Sammlung von Verbindungen, Knoten und Links miteinander interagieren. In einem gut funktionierenden Gehirn bauen neuronale Netzwerke die zellulären Komponenten zusammen, die für sensorische, motorische und kognitive Funktionen benötigt werden. In einem aktiven menschlichen Darm helfen „gute“ Bakterien, „schlechte“ Bakterien in Schach zu halten.

Aufgrund beschädigter Verbindungen, verlorener Knoten oder Verbindungen können Systeme von einem blühenden, aktiven Zustand in einen zusammengebrochenen, inaktiven Zustand übergehen. Wenn dies auftritt, ist eine Reparatur erforderlich, um das Netzwerk wieder in seine ursprüngliche Struktur zu versetzen, damit die normale Funktion wieder aufgenommen werden kann.

Eine Möglichkeit, das ausgefallene Netzwerk wiederzubeleben, besteht darin, seine verlorenen Verbindungen wiederherzustellen, aber ein Netzwerk wird nach einem Ausfall nicht immer spontan wieder zum Leben erweckt. Es muss neu entzündet werden, um die Aktivität anzukurbeln, ähnlich wie Starthilfekabel eine Autobatterie wieder zum Leben erwecken.

Die Struktur komplexer Netzwerke wurde im Laufe der Jahre eingehend untersucht, wobei der Schwerpunkt hauptsächlich auf der Vorhersage dynamischen Verhaltens lag. In jüngerer Zeit hat sich die Forschung auf die Beeinflussung des Verhaltens konzentriert.

In einer Studie, die kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Naturphysikzeigen Forscher der Bar-Ilan-Universität in Israel, wie ein System in Richtung eines gewünschten Verhaltens gesteuert werden kann, um ein ausgefallenes Netzwerk wiederzubeleben. Sie leiteten einen zweistufigen Wiederherstellungsprozess ab, der auf Umstrukturierung, Schadensbeseitigung und Wiederinbetriebnahme basiert, um das Netzwerk wieder in Gang zu bringen.

In der ersten Phase werden beschädigte Verbindungen restrukturiert – indem neue Verbindungen aufgebaut oder defekte repariert werden –, um das System wieder an einen Punkt zu bringen, an dem es seine Funktionalität wiedererlangen kann. Als nächstes identifizierten die Forscher die wiederherstellbare Phase, in der das Netzwerk durch die Steuerung nur eines einzigen Knotens zur Funktionalität gebracht werden kann. Dieser Knoten wird extern für eine begrenzte Zeit aktiviert. Allmählich verbreitet es ein Signal an die anderen Komponenten, ähnlich einem Domino- oder Welleneffekt, wodurch das gesamte Netzwerk neu entzündet und wieder zum Leben erweckt wird.

„Wir können unsere Netzwerke nutzen, um mit nur einem lokalen mikroskopischen Eingriff eine makroskopische Änderung des Systemverhaltens zu erzeugen“, sagt Prof. Baruch Barzel vom Department of Mathematics der Bar-Ilan University, Data Science Institute und Gonda (Goldschmied) Multidisciplinary Brain Research Center , der die Forschung zusammen mit Prof. Shlomo Havlin von der Fakultät für Physik in Bar-Ilan betreute. „Wir können auch feststellen, unter welchen Bedingungen der Wiederherstellungsprozess möglich ist. Wenn ein Netzwerk stärker und vernetzter ist, ist es einfacher zu reparieren. Wenn es spärlicher ist und die Verbindungen schwächer sind, ist es schwieriger“, ergänzt Barzel, der das ebenfalls leitet Complex Network Dynamics Lab der Universität.

Die zweistufige Wiederbelebungsstrategie hat sich als besonders vielversprechend erwiesen, um ein ausgefallenes Mikrobiom wieder funktionsfähig zu machen. Im menschlichen Darm bekämpfen manche Bakterien Entzündungen, andere fördern sie. Wenn der Darm so funktioniert, wie er sollte, halten sich diese beiden Typen gegenseitig in Schach. Aber wenn dieses empfindliche Gleichgewicht gestört wird, beispielsweise nach einer Antibiotikabehandlung, können entzündliche Bakterien kritische Werte erreichen, was möglicherweise zu einer Funktionsstörung des Mikrobioms führt.

In der Umstrukturierungsphase der Wiederbelebung wurden in Absprache mit dem Mikrobiom-Experten Dr. Amir Bashan von der Abteilung für Mikrobiom der Bar-Ilan-Universität Nährstoffe wie Zucker eingeführt, um die Netzwerkstruktur zu beeinflussen – beispielsweise um eine Konkurrenzverbindung zu reduzieren oder eine kooperative Verbindung zu verbessern Physik.

In der Wiederzündungsphase erleichterte eine detaillierte Karte der mikrobiellen Spezies im Darm die Bewertung der Wiederzündungskapazität jedes Knotens. Potenzielle Reviter-Arten wurden basierend auf ihrem Potenzial zur Wiederbelebung des Systems eingestuft. Eine einzelne Art, die als hochrangiger Wiederzünder galt, wurde mit Probiotika kontrolliert, was zu einer Wiederherstellung des Systems und einer allmählichen Rückkehr in einen aktiven Zustand führte.

„Durch die Einnahme von Probiotika können wir die Wiederherstellung des gesamten Mikrobioms im menschlichen Darm auslösen“, sagt Ph.D. Kandidat Hillel Sanhedrai vom Institut für Physik der Bar-Ilan-Universität, der die Studie mitverfasst hat. „Wenn die Bakterienpopulation im Darm spärlicher ist, bestimmen wir, welche Arten die besten Kandidaten für die Verabreichung von Probiotika sind, und kurbeln die Wiederherstellung des gesamten Systems an, um es wieder auf seine gesunde Norm zu bringen. Außerdem haben wir Richtlinien zur Stärkung der Verbindungen im Netzwerk durch Zugabe von Nährstoffen wie Glukose.“

In Zukunft hoffen die Forscher, eine systematische Methode zu entwickeln, um zu erkennen, wie viele und welche Knoten effiziente Wiederzünder sind, sowie die Auswirkungen des Eingriffs in die Aktivität von mehr als ein paar Knoten zu bestimmen.