數(shù)學(xué)模型能否幫助預(yù)測冠狀病毒的未來突變并在科學(xué)家急于開發(fā)有效疫苗時指導(dǎo)其研究？USC維特比工程學(xué)院的研究人員正在考慮這種可能性。學(xué)生楊若晨，肖雄業(yè)和Paul Bogdan，電氣與計算機工程副教授。

在過去的一年中，Yang和Bogdan致力于開發(fā)一個模型，該模型可用于研究網(wǎng)絡(luò)及其各部分之間的關(guān)系，以找到模式并進行預(yù)測?，F(xiàn)在，肖將成功的模型應(yīng)用到當(dāng)前的大流行中。他正在研究SARS-CoV-2（也稱為冠狀病毒）的RNA序列，以確定是否可以根據(jù)過去的突變對其遺傳密碼在將來如何改變做出準(zhǔn)確的預(yù)測。這項研究仍在進行中，尚未得出任何結(jié)論。

Yang和Bogdan在《自然》雜志的姊妹期刊《自然科學(xué)報告》中發(fā)表了他們的論文“控制復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的多重分形生成度量”。

他們的研究廣泛應(yīng)用于對各種現(xiàn)實世界網(wǎng)絡(luò)的理解，從大腦和基因組等生物系統(tǒng)到地球科學(xué)社交網(wǎng)絡(luò)和金融市場中的網(wǎng)絡(luò)和過程。

我們生活在一個由各種復(fù)雜系統(tǒng)組成的世界中。從人腦的活動到城市的交通方式再到巖石的分子結(jié)構(gòu)，這些錯綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)都由較小規(guī)模的相互作用和較簡單的部分組成。Yang和Bogdan的模型具有重要意義，因為在許多實際實驗中，我們可能只能觀察系統(tǒng)的各個部分。他們的模型提供了一種在網(wǎng)絡(luò)中查找模式的方法，可以幫助預(yù)測網(wǎng)絡(luò)在較小或較大規(guī)模下的工作方式。

楊說：“我們的模型基于許多現(xiàn)實世界系統(tǒng)中多重分形的存在。”分形系統(tǒng)是指部分與整體相似或相同的系統(tǒng)。

現(xiàn)實世界中表現(xiàn)出多重分形特征的過程包括人的心率，血糖變異性，大腦活動，互聯(lián)網(wǎng)流量，氣象學(xué)等等。這些多重分形特征意味著可以在系統(tǒng)內(nèi)發(fā)現(xiàn)的模式可用于對整個系統(tǒng)進行預(yù)測和結(jié)論。

Yang和Bogdan成功地開發(fā)了一種用于分析多重分形網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型，稱為加權(quán)多重分形圖模型或WMG。華納唱片模型刻畫現(xiàn)實世界網(wǎng)絡(luò)的基本原則，考察一個的小部分之間的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)和整個，并通過觀察部分預(yù)計在整個系統(tǒng)未來的情況或變動。

博格丹說：“這種數(shù)學(xué)模型可以用來分析各種復(fù)雜的現(xiàn)實世界系統(tǒng)，但除此之外，它還提供了一種新穎的方式來控制系統(tǒng)的未來行為?！薄叭绻覀兞私庹麄€系統(tǒng)的行為與組成它的各個部分的活動之間的關(guān)系，那么我們可以控制這些較小規(guī)模的交互，以實現(xiàn)所需的整體系統(tǒng)結(jié)果?！?/p>

WMG模型可以在現(xiàn)實世界中廣泛應(yīng)用，但是Yang和Bogdan在他們的論文中將其應(yīng)用于兩個方面：酵母細胞的繁殖過程和導(dǎo)致阿爾茨海默氏病的認知障礙患者的大腦網(wǎng)絡(luò)。

在酵母細胞的例子中，這對夫婦發(fā)現(xiàn)了反應(yīng)和繁殖過程中的模式。他們利用這些知識來區(qū)分這些細胞的生長狀態(tài)。酵母細胞繁殖的整個系統(tǒng)由染色體之間的相互作用控制。Yang和Bogdan的模型繪制了這些組件與基因組的整體結(jié)構(gòu)和行為之間的關(guān)系，以描述組成繁殖的所有較小相互作用最終如何影響一組酵母細胞的生長狀態(tài)。使用它們的模型發(fā)現(xiàn)的模式可通過指示如何控制細胞繁殖的條件來用于調(diào)節(jié)酵母細胞培養(yǎng)物的生長。

Yang和Bogdan還應(yīng)用他們的模型來繪制人腦中網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能圖，以尋找阿爾茨海默氏癥的小規(guī)模早期指標(biāo)。他們檢查了早期阿爾茨海默氏病患者的大腦和認知健康個體的大腦，并將其進行了比較，以發(fā)現(xiàn)與該疾病相關(guān)的認知障礙相關(guān)的大腦活動模式。Yang和Bogdan將他們的模型應(yīng)用于晚期輕度認知障礙患者的腦基質(zhì)相互作用，以說明如何改變它以適應(yīng)認知正常人群的腦基質(zhì)。

他們的模型的這種應(yīng)用可能有助于疾病的早期發(fā)現(xiàn)。博格丹說：“無法治愈阿爾茨海默氏病，并且不可能終止神經(jīng)變性?！薄暗牵缙谥委熆赡苡兄诰徑獍Y狀并延緩疾病的發(fā)作，因此及早發(fā)現(xiàn)對于減緩阿爾茨海默氏病的惡化過程至關(guān)重要?！?/p>

他們的模型還可以使研究人員通過控制規(guī)則來控制復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果，這些規(guī)則使較小的部分在整個系統(tǒng)中進行交互，從而產(chǎn)生更有效，更強大的控制方法。如果科學(xué)家能夠設(shè)計出能夠控制健康大腦和認知受損大腦之間與小規(guī)模結(jié)構(gòu)和功能有關(guān)的差異的療法，那么他們就可以開發(fā)出新的有前途的認知健康療法以及預(yù)防或治療阿爾茨海默氏病的方法。

這項研究的各種可能的應(yīng)用使它極其令人興奮和充滿希望。

博格丹說：“這項研究使我們能夠了解控制實際復(fù)雜系統(tǒng)動力學(xué)的基本規(guī)則，并幫助我們有效地控制其狀態(tài)和條件?！?/p>