Le climat mondial est dans un déséquilibre. Les « éléments de basculement » potentiels comprennent la calotte glaciaire du Groenland, les récifs coralliens et la forêt amazonienne. Ensemble, ils forment un réseau qui peut s'effondrer si un seul composant individuel pointe.
Des chercheurs du Bonn University Hospital (UKB) et de l'Université de Bonn ont maintenant mis en lumière des changements apparemment soudains et rares, souvent irréversibles au sein d'un système, tels que ceux qui peuvent être observés dans le climat, l'économie, les réseaux sociaux ou même le cerveau humain. Ils ont examiné de plus près les événements extrêmes tels que les crises d'épilepsie.
Leur objectif était de mieux comprendre les mécanismes qui sous-tendent de tels changements afin de faire des prédictions. Les résultats de leur travail ont maintenant été publiés dans la revue Recherche d'examen physique.
Des changements inattendus et souvent irréversibles dans l'État ou la dynamique d'un système complexe conduisent souvent à des événements extrêmes avec des effets catastrophiques probables sur le système et son environnement.
« Comprendre et éventuellement prédire de telles transitions critiques est donc d'une importance capitale. Les résultats plutôt modestes obtenus jusqu'à présent peuvent être dus au fait que les approches de recherche antérieures prennent rarement en compte les interactions compliquées et dépendant du temps entre les sous-systèmes qui peuvent déterminer significativement le comportement de la transition critique » qui mène également des recherches au Centre interdisciplinaire de systèmes complexes de l'Université de Bonn.
Interactions dans les sous-réseaux de basculement en évolution temporelle
Contrairement aux approches précédentes, qui se sont concentrées sur les éléments du système individuels ou le système dans son ensemble, les chercheurs de Bonn se sont donc concentrés sur un niveau intermédiaire dans leur travail – et ont identifié une sous-structure structurellement et temporellement cohérente dans un réseau, le «sous-réseau de basculement». Il s'agit d'un sous-réseau dans un réseau plus grand et temporellement dans lequel les éléments peuvent collectivement atteindre un point de basculement.
Bien que les nœuds et les liaisons individuels puissent être stables, leur interconnexion avec d'autres éléments signifie que même une petite perturbation externe ou un changement progressif peut entraîner un pourboire de plusieurs nœuds et liens en même temps.
En effet, les éléments d'un « sous-réseau de basculement » sont connectés les uns aux autres via des boucles de rétroaction. Un « nœud de basculement » ou un « lien de basculement » peut donc augmenter la pression sur les autres, ce qui conduit au « basculement » de l'ensemble du sous-réseau.
« Le sous-réseau de basculement montre une rigidité et une isolation temporelles particulières par rapport au réseau global – des propriétés qui rendent apparemment le système particulièrement sensible aux changements extrêmes de l'État », a déclaré le premier auteur Timo Bröhl, étudiant doctoral à l'Université de Bonn et assistant de recherche dans le groupe de travail du professeur Lehnertz à l'UKB.
Les chercheurs de Bonn ont pu identifier ces sous-réseaux pour la première fois dans les modèles de simulation ainsi que dans l'activité cérébrale des personnes atteintes d'épilepsie avant les crises d'épilepsie.
Ils ont étudié le changement dans l'intégration des composants du réseau dans le réseau fonctionnel en utilisant des mesures de réseau locales basées sur le concept de centralité. Les mesures de centralité visent à saisir l'importance des composants du réseau sous différentes perspectives afin de permettre une classification holistique de leur intégration dans le réseau.
« Ces systèmes peuvent subir à plusieurs reprises des transitions critiques qui conduisent à des événements extrêmes. Nos résultats montrent que les sous-réseaux de basculement capturent les propriétés clés des mécanismes impliqués dans les transitions critiques », explique Bröhl. Les changements dans cette implication dans le réseau fonctionnel peuvent fournir des informations importantes sur les événements extrêmes imminents.
Pont entre la théorie et la pratique
« Notre travail construit un pont entre la physique théorique et l'application clinique et apporte également une contribution importante à la recherche fondamentale dans le domaine des systèmes complexes et de leur dynamique, en particulier dans l'étude des événements extrêmes et des transitions critiques », explique Bröhl.
Le professeur Lehnertz ajoute: « Notre méthodologie ouvre de nouvelles possibilités pour le développement de modèles mathématiques et physiques et de méthodes pour la détection précoce des transitions critiques – avec des applications potentielles en médecine, en recherche climatique et au-delà. »
