生物网络拓扑与信息处理的可靠性

生物系统依赖于稳健的内部信息处理：生存取决于调控过程的高度可重复动力学。然而，生物信息处理元件（如基因开关、神经元等）本质上是有噪声的。这种噪声倾向于使系统动力学失同步（例如通过元件响应或传递时间的波动），从而对系统行为构成严重的稳定性问题。在没有中央时钟的情况下，并行信息处理中的同步性不易维持。在此，我们分析了拓扑结构对自主噪声元件网络同步性的影响。在数值和分析研究中，我们发现不可靠和可靠的动力学吸引子之间存在明显区别，这取决于回路的拓扑结构。在可靠的情况下，同步性得以维持；而在不可靠的情况下，单个元件的波动响应可能逐渐使系统失同步，导致不可重复的行为。我们发现，可靠动力学吸引子的比例与底层回路结构密切相关。我们的模型表明，观察到的生物信号网络基序结构是由生物对吸引子可重复性的需求所塑造的。