Structural and dynamical interdependencies in complex networks at meso- and macroscale: nestedness, modularity, and in-block nestedness

Abstract

Molts sistemes, com el cervell o internet, són considerats complexos: sistemes formats per una gran quantitat d'elements que interactuen entre si, que exhibeixen un comportament col·lectiu que no es pot inferir des de les propietats dels seus elements aïllats. Aquests sistemes s'estudien mitjançant xarxes, en les quals els elements constituents són els nodes, i les interaccions entre ells, els enllaços. La recerca en xarxes s'enfoca principalment a explorar com el comportament dinàmic d'una xarxa està definit per la naturalesa i la topologia de les interaccions entre els seus elements. Aquesta anàlisi sovint es fa en tres escales: la microescala, que estudia les propietats dels nodes individuals; la macroescala, que explora les propietats de tota la xarxa, i la mesoescala, basada en les propietats de grups de nodes. No obstant, la majoria dels estudis se centren només en una escala, tot i la creixent evidència que suggereix que les xarxes sovint exhibeixen estructura a múltiples escales. En aquesta tesi estudiarem les propietats estructurals de les xarxes a escala múltiple. Analitzarem les propietats estructurals dels patrons in-block nested i la seva relació amb els patrons niats i modulars. Finalment, introduirem un model teòric per explorar alguns dels mecanismes que permeten l'emergència d'aquests patrons.

Muchos sistemas, como el cerebro o internet, son considerados complejos: sistemas formados por una gran cantidad de elementos que interactúan entre sí, que exhiben un comportamiento colectivo que no puede inferirse desde las propiedades de sus elementos aislados. Estos sistemas se estudian mediante redes, en las que los elementos constituyentes son los nodos, y las interacciones entre ellos, los enlaces. La investigación en redes se enfoca principalmente a explorar cómo el comportamiento dinámico de una red está definido por la naturaleza y la topología de las interacciones entre sus elementos. Este análisis a menudo se hace en tres escalas: la microescala, que estudia las propiedades de los nodos individuales; la macroescala, que explora las propiedades de toda la red, y la mesoescala, basada en las propiedades de grupos de nodos. No obstante, la mayoría de los estudios se centran solo en una escala, a pesar de la creciente evidencia que sugiere que las redes a menudo exhiben estructura a múltiples escalas. En esta tesis estudiaremos las propiedades estructurales de las redes a escala múltiple. Analizaremos las propiedades estructurales de los patrones in-block nested y su relación con los patrones anidados y modulares. Finalmente, introduciremos un modelo teórico para explorar algunos de los mecanismos que permiten la emergencia de estos patrones.

Many real systems like the brain are considered to be complex, i.e. they are made of several interacting components and display a collective behaviour that cannot be inferred from how the individual parts behave. They are usually described as networks, with the components represented as nodes and the interactions between them as links. Research into networks mainly focuses on exploring how a network's dynamic behaviour is constrained by the nature and topology of the interactions between its elements. Analyses of this sort are performed on three scales: the microscale, based on single nodes; the macroscale, which explores the whole network; and the mesoscale, which studies groups of nodes. Nonetheless, most studies so far have focused on only one scale, despite increasing evidence suggesting that networks exhibit structure on several scales. In our thesis, we apply structural analysis to a variety of synthetic and empirical networks on multiple scales. We focus on the examination of nested, modular, and in-block nested patterns, and the effects that they impose on each other. Finally, we introduce a theoretical model to help us to better understand some of the mechanisms that enable such patterns to emerge.