¿Cómo evitan colapsar las redes bajo un uso intensivo de navegación?

• Investigadores del IFISC descubren que la evolución de las redes tiene un mecanismo oculto para crear de forma natural circunvalaciones que facilitan la navegabilidad.
• El estudio, publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, muestra cómo existen atajos en diversas redes, como en el cerebro humano, con lo que se consigue un importante ahorro de energía y tiempo.

Vivimos rodeados de redes: tráfico, infraestructuras, la WWW, etc. También vivimos integrados en redes, como las formadas por nuestros lazos familiares y de amistad, las colaboraciones, los medios sociales. Pero lo más importante es que estamos conformados por redes, como nuestras redes músculo-hueso, redes de comunicación órgano-órgano, redes vasculares, redes cerebrales, entre otras. Todas estas redes existen para permitir la navegación de elementos entre sus nodos a diferentes escalas de tiempo. ¿Cómo es que no sufrimos constantemente el colapso de estas redes debido a un uso tan intensivo de la navegación? Nuestros corazones están sometidos a un intenso flujo sanguíneo, sobre todo cuando realizamos ejercicio físico. Sin embargo, nuestro corazón crea "vasos colaterales" o "bypass naturales", formados por vasos muy pequeños, similares a pelos (capilares), que interconectan las arterias coronarias y sus zonas de servicio. Estas derivaciones naturales facilitan el flujo sanguíneo en situaciones de gran demanda, como durante el entrenamiento con ejercicio o cuando existen oclusiones en las arterias principales. 

Los investigadores del IFISC (UIB-CSIC) Ernesto Estrada y Lucas Lacasa, junto con Jesús Gómez-Gardeñes (Universidad de Zaragoza), han publicado un estudio en Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA que muestra cómo la formación y evolución de las redes tiene un mecanismo oculto para crear de forma natural bypasses (atajos) que, según demuestran, facilitan la navegabilidad de la red. Este mecanismo aumenta la eficacia de la comunicación entre pares de entidades (nodos) en una red a medida que el sistema se complejiza, al ahorrar algo de energía en el proceso que el sistema puede utilizar después para otras funciones. En una red siempre hay caminos que conectan dos nodos con un número mínimo de pasos. Son los llamados caminos más cortos (geodésicos) entre los nodos correspondientes. Sin embargo, para navegar por una red utilizando los caminos más cortos es necesario tener un mapa de su estructura global, algo que es una tarea imposible en muchas situaciones del mundo real, como en el cerebro. Entonces, la mayor parte de la navegación en estas redes se produce a través de procesos difusivos, como cuando se deja caer café en un vaso de leche. Los autores descubrieron que, durante la evolución de la red, surgen algunos caminos creados al azar como alternativa a los más cortos. Aunque estos caminos alternativos conectan el mismo par de nodos utilizando rutas ligeramente más largas que el camino más corto, estos caminos atraviesan a su vez regiones menos conectadas de la red. 

Los autores desarrollaron una teoría matemática que demostraba que estos caminos alternativos permiten a un navegante sin un mapa de toda la red llegar a su destino con menos posibilidades de perderse que cuando utiliza el camino más corto. Para cuantificar si un navegante "ciego" preferiría ir por el camino más corto o por el alternativo, definieron una forma de cuantificar la cantidad de energía ahorrada al ir por la ruta alternativa. A veces, navegar por estas rutas alternativas compensa al navegante utilizar un camino ligeramente más largo. Los investigadores lo denominaron bypasses de la red. Las derivaciones no pueden crearse sin un cierto coste para la red. Ese coste se paga en términos de desorden, es decir, aumentando la entropía de la red. Sin embargo, descubrieron que un pequeño aumento en el desorden de una red es suficiente para generar bypasses útiles. 

Estrada, Gómez-Gardeñes y Lacasa aplicaron sus conclusiones al estudio de una amplia gama de redes del mundo real, desde las sociales a las tecnológicas, pasando por las infraestructurales, las biológicas y las informativas. En general, descubrieron que la mayoría de las redes contienen derivaciones, pero algunas contienen muchas más que otras. En la parte inferior de la clasificación, encontraron redes que no habían sido diseñadas para ser navegadas de forma aleatoria, como las redes eléctricas o los circuitos electrónicos. La falta de derivaciones eficaces en estas redes es un indicio de su vulnerabilidad, como hemos visto durante los apagones -una cascada de fallos en la red eléctrica-, argumentan los autores. En estos casos, la cantidad de energía que se ahorra utilizando las derivaciones existentes es, en efecto, relativamente baja. 

Por el contrario, los autores encontraron redes -como el cerebro humano- en las que el uso de bypasses ahorra mucha energía y tiempo en el proceso de comunicación. Por ejemplo, el análisis de una red del cerebro humano que muestra regiones que coactivan juntas identifica que hay pares de regiones cuya comunicación mediante bypasses representa más de un 200% de ahorro de tiempo en comparación con la navegación por el camino más corto, lo que señala la importancia de estos resultados para entender la plasticidad de los sistemas complejos.

Imagen: Una red en la que los nodos (bolas amarilla y verde) están conectados mediante enlaces. El camino azul que une los dos nodos verdes es el más corto, pero resulta que el camino rosa "braquistócrono" es más ventajoso, ya que evita la congestión y es menos resistivo. Este camino rosa constituye un atajo.

Estrada, Ernesto, et al. Network Bypasses Sustain Complexity. Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). https://doi.org/10.1073/pnas.2305001120.