[论文解读] Classification of Random Boolean Networks

Carlos Gershenson|ArXiv.org|Aug 1, 2002

Gene Regulatory Network Analysis参考文献 7被引用 91

一句话总结

本文根据其更新机制——具体为确定性与同步性——对随机布尔网络（RBNs）进行了分类。它定义了三种新型RBN类型，证明了点吸引子在不同更新机制下保持不变，并表明确定性对RBN行为的影响大于同步性。研究还提供了从非同步确定性RBN到同步RBN的映射，支持在建模自然系统时使用特定类型的RBN。

ABSTRACT

We provide the first classification of different types of Random Boolean Networks (RBNs). We study the differences of RBNs depending on the degree of synchronicity and determinism of their updating scheme. For doing so, we first define three new types of RBNs. We note some similarities and differences between different types of RBNs with the aid of a public software laboratory we developed. Particularly, we find that the point attractors are independent of the updating scheme, and that RBNs are more different depending on their determinism or non-determinism rather than depending on their synchronicity or asynchronicity. We also show a way of mapping non-synchronous deterministic RBNs into synchronous RBNs. Our results are important for justifying the use of specific types of RBNs for modelling natural phenomena.

研究动机与目标

• 基于RBN的更新机制对其进行系统性分类。
• 研究确定性与同步性如何影响RBN的动力学行为与吸引子结构。
• 建立非同步确定性RBN与其同步对应物之间的映射关系。
• 为在建模生物系统与复杂系统时选择合适的RBN类型提供理论基础。

提出的方法

• 根据更新机制中确定性与同步性的组合，定义三种新型RBN类型。
• 利用公开的软件实验室对不同更新机制下的RBN行为进行模拟与比较。
• 分析各类RBN中吸引子结构，特别是点吸引子的特性。
• 应用数学映射技术，将非同步确定性RBN转换为等价的同步RBN。
• 通过吸引子类型与网络稳定性的统计分析，比较不同动力学行为。
• 借助计算模拟验证RBN类别之间理论区分的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同的更新机制——确定性与非确定性、同步与异步——如何影响随机布尔网络的动力学行为？
• RQ2 RBN中的点吸引子是否在不同更新机制下保持不变，还是依赖于更新机制？
• RQ3 与更新过程中的同步性相比，确定性在多大程度上影响RBN的行为？
• RQ4 是否可以系统性地将非同步确定性RBN映射到同步RBN上，而不改变其动力学特性？
• RQ5 哪种RBN类型最适合用于建模现实世界中的复杂系统，原因是什么？

主要发现

• RBN中的点吸引子与更新机制无关，在确定性与非确定性、同步与异步配置下均保持一致。
• 更新机制中确定性与非确定性的区分对RBN动力学的影响，大于同步与异步更新选择的影响。
• 非同步确定性RBN可以映射到等价的同步RBN上，且其动力学行为得以保持。
• RBN的行为差异更多取决于确定性而非同步性，表明确定性是系统分类中更关键的因素。
• 所提出的分类为在建模自然现象（如基因调控网络）时选择合适的RBN类型提供了理论依据。