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四位青年科學家全方位解析網絡科學研究前沿

鄧攸無子尋知命 於 2018年01月29日發表   人氣:65


2018講座 學校回顧 :四位青 年科學家全 方位解析網絡 科學研究前沿
網絡科學是研究現實中的復雜網絡的學術研究領域,比如通信網、計算機網絡、生物網絡、認知和語義網絡等等,在該學科中用點代表組成網絡的元素,用邊代表節點之間的關系和相互作用,並在此基礎上研究網絡的演化過程、拓撲結構、動力學性質等。

網絡科學是壹個典型的交叉學科,融匯了多個學科的理論和方法,包括數學中的圖論、物理中的統計力學、計算機科學中的數據挖掘和信息可視化、統計學中的推理建模以及社會學中的社會結構理論。美國國家科學研究委員會定義網絡科學為「研究物理、生物和社會現象的網絡表示方法,最終建立這些復雜現象的預測模型」。

 

網絡科學應用前景廣泛、發展迅速,引起了各國政府和知名學者的關註,中國計算機學會理事長李國傑院士在 2016 年中國計算機學會通訊中發表了題為「網絡科學: 21 世紀的元科學」的主編評語,指出數據科學與網絡科學是壹對孿生學科,兩者相輔相成,李國傑院士強烈建議信息領域的學者參與到網絡科學的研究中,文中寫道,「網絡科學不僅是真正的科學,而且將成為物理、生物、社會等眾多科學的基礎」。網絡科學是數據驅動的科學,從現象反推到機制、再預測現象,如果說現階段的人工智能,特別是深度學習還是壹個灰箱的話,那麽網絡科學有可能成為打開這個箱子的鑰匙之壹。

國際網絡科學協會是由網絡科學奠基人 Barabási 等人發起的國際性研究協會,匯集了來自於各個學科背景,而對網絡科學感興趣的研究者。協會每年舉辦壹次年會 NetSci,至今已經召開了 12 屆,歷屆會議舉辦地點如下:

NetSci 2017, Indianapolis NetSci 2016, Seoul NetSci 2015, Zaragoza NetSci 2014, Berkeley CA NetSci 2013, Copenhagen NetSci 2012, Evanston IL NetSci 2011, Budapest NetSci 2010, Boston MA NetSci 2009, Venice Italy NetSci 2008, Norwick UK NetSci 2007, New York NY NetSci 2006, Bloomington IN
由於網絡科學發展迅速,為了滿足交流的需要,協會另外開辟了網絡科學年會的姐妹會議 NetSciX,至今已舉辦了3 屆,歷屆會議舉辦地點如下:

NetSciX 2017, Tel-Aviv NetSciX 2016, Poland NetSciX 2015, Rio
今年的 NetSciX 會議分為兩個部分,1 月 5 日為講座學校,大會邀請了國際頂級學者為剛步入網絡科學研究領域的學生和青年學者提供多場基礎講座。6 日-8 日為大會時間,包括特邀報告、大會報告、分會報告以及海報四個部分。此外,大會邀請業界的專家,舉辦多場不同主題的小型研討會,打破學界與業界之間的研究壁壘,讓學界和業界得到充分的交流。

本次大會邀請到了壹系列的學界大牛做主旨演講,包括:

Albert-László Barabási——Northeastern University 教授,APS Fellow,網絡科學奠基人,無標度網絡提出者 陳關榮——香港城市大學教授,IEEE Fellow,歐洲科學院院士 Raissa M. D'Souza——University of California 教授,APS Fellow,網絡科學協會主席 Jürgen Kurths——Potsdam Institute for Climate Impact Research 教授,APS Fellow,歐洲科學院院士 Ying-Cheng Lai——亞利桑那州立大學教授,APS Fellow Luciano Pietronero——University of Rome 教授 謝宇——普林斯頓大學教授 Jianwei Zhang——漢堡大學教授
除此之外,還邀請了網絡科學領域傑出的中青年學者做特邀報告,包括:

Sarika Jalan——Indian Institute of Technology Indore 副教授 Hawoong Jeong——Korea Advanced Institute of Science and Technology 教授 李翔——復旦大學教授 Filippo Radicchi——Indiana University 教授 Marta Sales-Pardo——Universitat Rovira i Virgili 副教授 James Gleeson——University of Limerick 教授 王大順——Northwestern University 副教授 周濤——電子科技大學教授
四天的時間裏,在網絡科學領域覆蓋的範圍內,數十位國內外頂級學者分別講述了壹個或幾個不同的研究方向,可謂場場幹貨。

下面我們來集中回顧壹下講座學校的主要內容(按分享時間順序總結,排名不分先後)。講座學校邀請了國際頂級學者為剛步入網絡科學研究領域的學生和青年學者提供四場基礎講座,分別是:

復雜網絡和疾病傳播 基於網絡和控制論視角的人類微生物群研究 網絡中的大規模結構:隱藏社區和潛在層次結構 多層網絡研究 Vittoria Colizza:Predictability and epidemic pathways in global outbreaks of infectious diseases: the SARS case study


Vittoria Colizza 來自法國國家健康與醫學研究所,演講的內容聚焦於網絡科學的經典話題——傳染病傳播,因為在疾病傳播中的基礎研究和數據驅動的網絡建模方面的開創性工作獲得 2017 年度的 Erdős–Rényi 獎,該獎以隨機圖理論的開拓者 Erdős 和 Rényi 命名,由網絡科學協會頒發給在網絡科學領域做出傑出貢獻的年輕科學家。

http://www.epicx-lab.com/vittoria-colizza.html

 

Colizza 主要介紹了 2007 年發表在 BMC Medicine 的工作。2002-2003 年 SARS 在全球肆虐,清楚地顯示了長程運輸網絡對於理解疾病爆發的重要性。作者結合大規模的交通數據來更好地對現實中的疾病傳播過程進行建模。

為了評估模型的預測能力,作者以 SARS 的全球傳播為例進行了預測。參數和條件初始化采用了香港的實際數據,同時分析了爆發可能性和傳播路徑。仿真結果很好地擬合了 SARS 的全球傳播情況。

 

Colizza 對演講進行了總結,遠程移動和人口統計變量對於提升疾病傳播模型的預測能力,而且可以持續地進行檢驗。這種建模策略可以作為全球疾病傳播的分析和預測的壹般方法,為遏制疾病傳播、避免災難性後果提供決策支持。

Yang-Yu Liu:Network and Control Theoretical Approaches to Studying Human Microbiota

 

Liu 是哈佛醫學院的副教授,同時任布萊根婦女醫院副研究員。他的研究興趣廣泛,包括人類菌群和社區生態、復雜系統的控制原則、復雜網絡的結構和動力學、生物信息學和機器學習,本次演講聚焦於用網絡科學方法和控制論研究人類微生物群。

 

 

該演講以 2016 年發表於 nature 的論文「Universality of human microbial dynamics」為主要內容。人體微生物社群決定著我們的健康和幸福,近年來持續研究基於微生物群的治療方法,如排泄物微生物群移植。這些微生物群是非常復雜、動態和個性化的生態系統,在物種組合和豐富度方面展現出高度的個體多樣性。至今未解決的問題是,用人口動力學模型中的增長率、種內和種間交互度量,這些微生物群背後的生態動力學到底是壹致的還是個性化的、依賴於宿主而變化的。如果微生物群動力學是依賴於宿主的生活方式、生理機能和基因的,那麽通用的微生物幹預措施將會帶來不可預知的結果,使得措施無效甚至帶來災難性的後果。或者,微生物群也可能服從普適性的規律。

Liu 等提出了新的刻畫人類微生物群特征的計算方法,並應用於來自兩個大規模的元基因組研究(人類微生物群項目和學生微生物群項目,縮寫為 HMP 和 SMP)。結果顯示,腸道和口腔菌群展示出普適性的規律,而與特定皮膚部位相關的菌群受到宿主差異性的影響。如下圖,除了 SMP 研究中的前額和手掌,HMP 研究中左右肘窩,其他部位的菌群都具有差異性。

 


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