11:30 "Neuroscience and Networks"- Thematic session

Hungarian Academy of Sciences

The networks and dynamic interactions of more than 200 billion neurons form the basis of human brain activity, the most complex and sophisticated system known in the universe. Additionally, networks of radio senders and receivers, fiberoptic and electric cables, satellites and ground stations, servers of personal computers, and millions of related devices form the basis of a massive global information network through which people and machines can exchange information and affect each  other’s activities (e.g. commercial airline reservation system, Wikipedia, the free encyclopedia that anyone can edit, computer networking etc.). 

Sophisticated and intricate social networks form the basis of political and social interactions within and among countries and peoples. Thus, networks are essential and fundamental parts of our everyday lives and mirror those found in nature. The present thematic session will focus on the various scientific approaches recently developed in network research, and the speakers will survey cutting-edge research on the mathematics of information and communication networks, the physics of natural network-based phenomena, the biology of the human brain’s networking activities, and the social aspects of human network formation.  

E. Sylvester Vizi - chair

(December 31, 1936) Hungarian physician, neuroscientist, pharmacologist and university professor who served as President of the Hungarian Academy of Sciences between 2002 and 2008. He was inducted to the Academia Europaea in 1992. In 2010, he was elected to the board of the Hungarian Football Association.

Vizi E. Szilveszter - elnök

Széchenyi-díjas magyar orvos, farmakológus, egyetemi tanár, a Magyar Tudományos Akadémia (MTA) rendes tagja. A központi és perifériás idegrendszer ingerület-átvitelének neves kutatója. Tevékenysége a tudományos ismeretterjesztésben is jelentős. 1989-2002 között az MTA Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet főigazgatója. 1996 és 2002 között az MTA egyik alelnöke, majd 2008-ig elnöke. 1992-ben a londoni Európai Akadémia (Academia Europaea) felvette tagjai sorába. 2010. július 6-án a Magyar Labdarúgó-szövetség egyik elnökségi tagjává is megválasztották.

Vizi E. Szilveszter nevéhez fűződik egy új agyműködési modell kidolgozása. Jelentős eredménye, hogy az első neurokémiai bizonyítékát adta a preszinaptikus (azaz szinapszis előtti) moduláció nemszinaptikus mechanizmusának. A Magyar Tudományos Akadémia elnökeként egyik elindítója volt a Mindentudás Egyeteme programsorozatnak, amelynek első előadója volt. "Kábítószerek: a kreativitás mítosza - a rombolás valósága" című előadása itt nézhető meg.

László Acsády - neuroscientist

Neuroscientist, Institute of Experimental Medicine, Hungarian Academy of Sciences, Budapest. 

Head of Lab. of Thalamus Research Deputy of Department of Cellular and Network Neurobiology.

László Acsády was recognized for his contributions to the neuroanatomical connections of interneurons in the hippocampal formation. Using intracellular labeling with immuno-cytochemistry, he revealed an important organizational principle for the mossy fiber system. He has made other contributions about the structure and function of hippocampal neurons. His talk was entitled, ‘A Unique Gyrus – Unusual Properties of the Neocortex–Archicortex Interface’.

Dr Acsády was born and educated in Budapest, Hungary. He earned his Ph.D. at the Eötvös Lóránd University under the direction of Dr Tamás Freund, one of the first winners of the Brain Prize (2011). The title of László’s thesis was: ‘The synaptic connectivity and subcortical afferentation of hippocampal interneurons’.

After obtaining his Ph.D. degree, László Acsády worked in the laboratory of Dr Gyorgy Buzsáki at Rutger’s University. He examined synapses made by mossy fibers in the rat hippocampus and identified the postsynaptic cell type and the complexity of the synapse. In a landmark publication in the Journal of Neuroscience (Acsády et al., 1998), he and his associates reported that the GABAergic neurons in the rat hippocampus are the major postsynaptic targets of mossy fibers. His findings suggested that granule cells innervate inhibitory GABAergic neurons more than excitatory neurons in the hippocampus. Also, he showed that granule cells form different types of terminals to innervate GABAergic neurons and pyramidal cells.

Acsády returned in 1997 to the Institute of Experimental Medicine in Budapest, Hungary as a Senior Research Fellow. Currently, he works on the functional neuroanatomy of the thalamocortical system. His most recent findings indicate that a novel GABAergic afferent pathway exists that specifically targets higher-order and intralaminar thalamic nuclei.

Acsády László - neurobiológus

Neurobiológus, agykutató. Pályája kezdetén a memórianyomok kialakításáért felelős idegrendszeri terület, a hippokampusz idegi hálózatait vizsgálta. Jelenlegi kutatásának fókuszában az agykéreg és a talamusz együttműködése áll, mely közelebb visz az érzékelés, a tudat és az alvás idegrendszeri alapjainak, továbbá az agyi ritmusoknak a megértéséhez. 2006-ban elnyerte az MTA doktora címet.

Acsády László kutatási területe a talamokortikális rendszer és a talamusz szubkortikális afferenseinek korrelált morfológiai, neurokémiai és in vivo elektrofiziológiai analízise.

Több magyar nyelvű könyvfejezetet is írt és rendszeresen tart népszerűsítő tudományos előadásokat, például a Mindentudás Egyeteme 2.0-n („Álmában csönget egy picit?" – Az agy működése alvás közben (2011.01.28.). 2010-ben munkásságáért elnyerte a Charles Simonyi Kutatói Ösztöndíjat.

Word Science Forum 2011. lecture, abstract:

All brain functions are performed by interconnected networks of excitatory and inhibitory nerve cells.  A critical feature of these cell assemblies is the emergence of transient, spatially and temporally well-organized network activity in various scales. Deciphering the generation, maintenance and termination of these transient population events holds the key to understand neuronal activity underlying various brain functions. The emergent properties of neuronal ensembles can be examined by recording simultaneously the activity of mutually interconnected excitatory and inhibitory neurons. This imposes a major challenge in neuroscience since almost all neuronal systems in our brain contains a mixed population of excitatory and inhibitory neurons with highly divergent connections. In this lecture, I propose a novel way to study interconnected network of excitatory and inhibitory cells and describe the first results about their activity during a well-known transient brain population event, the spindle activity.

Recordings were made in the thalamus, which is the major gateway of the information transfer between the environment and the cerebral cortex, the highest center of information processing in the brain. The advantage of thalamus, relative to other brain regions, is that excitatory and inhibitory cells are 1) spatially segregated and 2) mutually interconnected in a topographic manner. In these studies, we developed a method to simultaneously record the activity of multiple excitatory thalamic neurons (ETN) together with the axonal activity of inhibitory thalamic neurons (ITN) in the same brain volume.  Since ETNs receive inputs from the same population of ITNs they innervate, this ensures that we record mutually interconnected ETNs and ITNs. The neuronal activity was characterized during sleep spindles. Spindles are 1-2 sec. long,  8-15 Hz waxing and waning oscillations during the early phases of sleep in all mammalian brains studied so far, including humans.

Spindles are generated in the thalamus and consist of 4-15 cylces during which ETNs and ITNs transiently interact.  Our data shows that the initial level of ETN and ITN activity at the beginning of a spindle event shows strong correlations with the number of cycles i.e. the length of the oscillation. Regardless of spindle length the termination of spindle activity is preceded by a large drop of ITN activity several cycles before the end of the spindle event. 
We conclude that the initial state of the network may critically affect the unfolding population event and that the level of inhibitory activity has major impact on the termination of the oscillation. Our data yield novel insight in the organization of neuronal ensemble activity consisting  of excitatory and inhibitory cells, provide basic, experimental data for computational neuroscience and will allows the investigation of the pathomechanisms underlying aberrant thalamocortical oscillations which characterizes all major neurological diseases.

Word Science Forum 2011. előadás, absztrakt:

Kölcsönösen egymással összekapcsolt serkentő és gátló idegsejtek hálózati aktivitása.

Minden agyi funkciót serkentő és gátló idegsejtek összekapcsolt hálózatai végeznek el. Ezeknek a sejtegyütteseknek kritikus jellemzője az átmeneti, térben és időben jól szervezett hálózati aktivitás felbukkanása különböző nagyságrendekben. Ezen átmeneti populációk létrejöttének, fenntartásának és felszámolásának megfejtése jelenti a kulcsot ahhoz, hogy a különféle agyi funkciók mögötti idegi tevékenységeket megértsük. Az idegi együttesek felmerülő tulajdonságai úgy vizsgálhatók, hogy egyidejűleg figyeljük az egymással összekapcsolt serkentő és gátló idegsejtek tevékenységét. Ez nagy kihívás az idegtudományban, hiszen agyunknak szinte az összes idegsejt-rendszere igen szerteágazó kapcsolatokkal rendelkező serkentő és gátló idegsejtek kevert sokaságából áll. Ebben az előadásban újszerű módját javaslom annak, ahogy a serkentő és a gátló idegsejtek kapcsolt hálózatát tanulmányozzuk, és bemutatom egy közismert, átmeneti agyi populáció-esemény, az alvási orsó aktivitás közbeni működésükről nyert első eredményeket.

A felvételeket a talamuszban végeztük, amely a fő információ-átviteli kapu a környezet és az agykéreg – az adatfeldolgozás legfőbb agyi központja – között. A talamusz előnye más agyterületekkel szemben az, hogy a serkentő és a gátló sejtek 1. térben elkülönülnek, 2. topográfiai módon kölcsönösen össze vannak kapcsolva. Ezekben a kísérletekben arra dolgoztunk ki módszert, hogy egyszerre figyeljük ugyanazon agyrészben lévő több ETN (serkentő talamikus idegsejt) és ITN (gátló talamikus idegsejt) aktivitását. Mivel az ETN-ek ugyanazokból az ITN-ekből kapnak inputot, mint amelyeket ők idegeznek be, biztosított, hogy egymással kölcsönösen összekötött ETN-ekkel és ITN-ekkel foglalkozzunk. Az idegi tevékenységet alvási orsók alatt határoztuk meg. Az orsók 1-2 másodperc hosszú, 8-15 Herzes növekvő és fogyatkozó oszcillációk az alvás korai fázisában, minden eddig vizsgált emlős agyban, az emberét is beleértve.

Az alvási orsók a talamuszban jönnek létre, 4-15 ciklust tartalmaznak, ezek alatt az ETN-ek és az ITN-ek átmenetileg kölcsönhatásba kerülnek egymással. Adataink azt mutatják, hogy az alvási orsó kezdetekor az ETN és ITN aktivitás kezdeti szintje erős korrelációban áll a ciklusok számával, azaz az oszcilláció hosszával. Tekintet nélkül az orsók hosszára, az orsó aktivitás befejeződését több ciklussal az alvási orsó esemény vége előtt megelőzi az ITN aktivitás jelentős esése. Ebből arra következtetünk, hogy a hálózat kiinduló állapota kritikus a kibontakozó populáció-esemény szempontjából, és hogy a gátló tevékenység szintje jelentős hatással van az oszcilláció befejeződésére. Adataink új bepillantást engednek a serkentő és gátló sejtekből álló neuronális együttesek szerveződésébe, kiinduló kísérleti adatokat nyújtanak a komputációs idegtudományhoz, és lehetővé fogják tenni azoknak a patomechanizmzusoknak a vizsgálatát, amelyek az összes főbb neurológiai betegségre jellemző, aberrált talamikus-kérgi oszcillációk alapjául szolgálnak.

Kati Marton - writer, journalist, New York

Kati Marton is a Hungarian-American author and journalist. Her career has included reporting for ABC News as a foreign correspondent and National Public Radio, where she started as a production assistant 1971 in her 20s, as well as print journalism and writing a number of books.

She is the former chairwoman of the International Women's Health Coalition, and a director (former chairwoman) of the Committee to Protect Journalists and other bodies including the International Rescue Committee, Human Rights Watch and the New America Foundation.

Her latest book, Enemies of the People: My Family's Journey to America, released in 2009, was a finalist for the National Book Critics Circle Award in 2010 and is soon to be the subject of a major motion picture. This latest book covers Marton's discoveries about her journalist parents, mostly but not all positive in nature, after filing for access to the files kept by secret police in Budapest.

Marton Kati - író, újságíró, New York

Marton Kati magyar származású amerikai írónő. Az ABC külföldi hírtudósítója és több könyv írója, a Nemzetközi Női Egészségügyi Koalíció elnöke, 2006-ban kapta meg a Magyar Köztársasági Érdemrend tisztikeresztje kitüntetést és 2009-ben A magyar kultúra követe címet.

Marton Kati A nép ellensége című könyvében írta meg szintén újságíró szülei történetét, akik az 1956-os forradalomban tudósítóként vett részt, ezért bebörtönözték őket. Miután amnesztiával szabadultak, 1957-ben a család kivándorolt Amerikába.

„Az én üzenetem az, hogy a menekülésből legyen elég! Csináljunk nagy karriert, de úgy, hogy az embereket nem üldözik ki a saját hazájukból.”

Harmadik férje Richard C. Holbrooke magas rangú amerikai diplomata, magazinszerkesztő, szerző, professzor, Peace Corps-tisztviselő és bankár volt.

Marton Kati elnökasszonya az International Women's Health Coalition (Nemzetközi Női Egészségügyi Koalíció) nonprofit és politikától független szervezetnek, amely a nők egészségvédelme érdekében világszerte fejti ki tevékenységét. Az újságírókat ért bántalmazások ellen fellépő Committee to Protect Journalists egyik vezetője.

Albert László Barabási - Northeastern University, Harvard (Boston)

In 2004 Albert László Barabási was elected external member of the Hungarian Academy of Sciences and in 2007 into the Academia Europaea.

Albert László Barabási has been a major contributor to the development of network theory and research. In 1999 he introduced the concept of scale-free networks and proposed the Barabási–Albert model to explain their widespread emergence in natural, technological and social systems, from the cellular telephone to the World Wide Web or online communities.

"Barabási has found that the websites that form the network (of the WWW) have certain mathematical properties. The conditions for these properties to occur are threefold. The first is that the network has to be expanding, growing. This precondition of growth is very important as the idea of emergence comes with it. It is constantly evolving and adapting. That condition exists markedly with the WWW. The second is the condition of preferential attachment, that is, nodes (websites) will wish to link themselves to hubs (websites) with the most connections. The third condition is what is termed competitive fitness which in network terms means its rate of attraction."

Barabási Albert László - Northeastern Egyetem, Harvard (Boston)

Az erdélyi származású világhírű tudós az Indiana állambeli Notre Dame Egyetem professzora volt 2007-ig. Jelenleg Bostonban dolgozik a Northeastern Egyetemen és a Harvardon.

A komplex hálózatok elméletének területén elért eredményei meghatározóak. Az ő munkája nyomán vált fontos kutatási területté a skálafüggetlen hálózatok tanulmányozása. Ilyen, kiegyenlítetlen kapcsolat-eloszlású hálózatokat a természettudomány és szociológia legkülönbözőbb területein megfigyelhetünk. A skálafüggetlen hálózatok megjelenését Barabási a preferenciális kapcsolódás jelenségével magyarázta. Egy növekedésben lévő hálózatban akkor beszélünk preferenciális kapcsolódásról, ha egy csúcs kapcsolatgyűjtő képessége a már összegyűjtött kapcsolatainak számával arányosan növekszik. Barabási és kutatócsoportja a web "méretét" is meghatározta, e szerint átlagosan 19 kattintásra vagyunk a jelenleg fellelhető bármely internetes oldaltól. Kutatásai a hálózatokról a kommunikációelmélet egyik kedvelt tézisét, a világfalu elméletet, illetve a hatlépésnyi távolság törvényét is megerősíti.

"A kivétel csak egy patikamérlegen meghatározott arányban gazdagítja az összképet...  Ez az a skálafüggetlen arány, amelyet a hálózatok vonatkozásában Barabási Albert-László jellemzett először. Az időben bekövetkező események gyakoriságának skálafüggetlensége (amelyet már Benoit Mandelbrot is leírt) igen egyszerűsített megfogalmazásban azt jelenti: tízszer kivételesebb viselkedésből pontosan tizedannyi kell ahhoz, hogy a harmónia fennmaradjon. A harmónia skálafüggetlen jellege az elénk táruló tájképeken mérhető fel igazán, ahol a jobboldali agyfélteke egy szemvillanás alatt integrálja a látottakat, és bevetíti a tudatos agyba, hogy ami látunk az „szép”. Ha a kép csupa egyforma elemet tartalmaz (lásd: lakótelepek sorházai) akkor nem kellemes. Ha kicsi és nagy formák éppen skálafüggetlen változatosságban elegyednek, akkor lesz a látvány harmonikus."

Csermely Péter

Barabási Albert László Mindentudás Egyetemén tartott előadásai: Behálózva - a hálózatok csodálatos világa a sejtektől a világhálóig, Amit ma megtehetsz, megteszed holnap is - kiszámítható-e az emberi viselkedés dinamikája?.

Word Science Forum 2011. lecture, abstract:

The ultimate proof of our understanding of natural or technological systems is reflected in our ability to control them. While control theory offers mathematical tools to steer engineered and natural systems towards a desired state, we lack a framework to control complex self-organized systems. Here we develop analytical tools to study the controllability of an arbitrary complex directed network, identifying the set of driver nodes whose time-dependent control can guide the system’s entire dynamics. We apply these tools to several real networks, finding that the number of driver nodes is determined mainly by the network’s degree distribution. We show that sparse inhomogeneous networks, which emerge in many real complex systems, are the most difficult to control, but dense and homogeneous networks can be controlled via a few driver nodes. Counterintuitively, we find that in both model and real systems the driver nodes tend to avoid the hubs. (In collaboration with Y. Liu and JJ Slotine.)

World Science Forum 2011. előadás, absztrakt:

Hogy természeti vagy technológiai rendszereket megértettünk, annak végső bizonyítéka, ha kontrollálni tudjuk őket. Miközben a vezérlés elmélet matematikai eszközöket kínál, hogy a mesterséges és a természetes rendszereket a kívánt állapot felé tereljük, a komplex, önszervező rendszerek irányításához nem rendelkezünk megfelelő kerettel.

Olyan analitikus eszközöket fejlesztünk ki, amelyekkel bármely tetszőleges, komplex, irányított hálózat kontrollálhatósága tanulmányozható azáltal, hogy azonosítjuk azon vezérlő csomópontok készletét, amelyek időfüggő irányítása a rendszer egész dinamikáját befolyásolhatja. Ezeket az eszközöket számos valós hálózatra alkalmazzuk. Kiderül, hogy a vezérlő csomópontok számát elsősorban a hálózat fokmegoszlása határozza meg. Rámutatunk arra, hogy a ritka inhomogén hálózatok - amelyek sok valós összetett rendszerben létrejönnek - kontrollálhatók a legnehezebben. Ugyanakkor a sűrű és homogén rendszerek néhány vezérlő csomóponton keresztül kontrollálhatók. Kiderül az a nem várt eredmény is, hogy mind a modell-, mind a valós rendszerekben a vezérlő csomópontok hajlamosak elkerülni a középpontokat. (Y. Liu-val és JJ Slotine-nal együttműködve.)

Tamás Vicsek - Eötvös Loránd University, Budapest

Tamas Vicsek is a Professor of Physics at the Biological Physics Department of Eötvös University and a head of the Statistical and Biological Physics research group of the Hungarian Academy of Sciences. Over the past 25 years he has been involved in doing computational and experimental research on fractals, pattern
formation, granular materials, collective motion (bacterial colonies, tissue cells in culture, flocks, crowds, etc), and the structure and evolution of complex networks. He received his PhD degree in physics at Kossuth University and has had visiting positions at various research institutes and universities, including Emory University, Yale University and the University of Notre Dame. Tamas Vicsek is a fellow of the APS and a member of Academiae Europaea and the Hungarian Acad.
Sci. He has authored/co-authored 165 papers in refereed journals, published further conference proceedings papers and book chapters and authored/edited five books about the above topics.

Vicsek Tamás - Eötvös Loránd Tudományegyetem, Budapest

Vicsek Tamás Széchenyi-díjas magyar fizikus, egyetemi tanár, a Magyar Tudományos Akadémia rendes tagja. A biológiai fizika, és a komplex alakzatok természetben történő kialakulásának neves kutatója. Munkáiban a statisztikus fizika és a fraktálgeometria eszközeit használja.

Az 1980-as évek elejétől fraktálgeometriai módszerek alkalmazásával sikerült Vicseknek értelmeznie és leírnia különböző jelenségek széles skáláját. Ilyenek többek között a hegyvonulatok, a hópelyhek, a baktériumtelepek, a folyadékáramlások, valamint egyes aggregációs folyamatok. A baktériumtelepekkel kapcsolatban a kooperatív (együttműködő) biológiai rendszerek kutatása során is foglalkozott, vizsgálatánál felhasználta többek között a magyarországi kutatásoknál gyakran használt Escherichia coli baktériumot. E témakörben a sejttenyészetek és a rajzás biofizikai relációival is foglalkozott. 2000-től elkezdett foglalkozni az emberi viselkedés modellezésével, ezen belül a szinkronizáció, a pánik, valamint a szociális hálózatok területével.

Több mint százhetven tudományos publikáció szerzője vagy társszerzője, ebből öt angol nyelvű könyv. Publikációinak lényeges részét angol nyelven adta közre, de vannak magyar nyelvű művei is. Több közleménye jelent meg nemzetközi jelentőségű folyóiratokban (például a Nature-ben).

Előadásai a Mindentudás Egyetemén: Rend és rendezetlen, Munkahelyi hálózatok

World Science Forum 2011. lecture, abstract:

Hierarchical networks

Collective motion patterns are perhaps the most widespread and spectacular manifestations of collective behaviour. The ultimate goal we face is to find unifying principles describing the essential aspects of flocking. A natural approach on the way in this direction is to investigate the delicate dynamics of the interactions between the co-moving individual units. After an introduction to the topic, three new experiments will be discussed. The experimental observations involve the enhanced segregation of two kinds of tissue cells and a study of the hierarchical network dynamics in pigeon flocks as well as their dominance hierarchies. Our animal behaviour studies signal the dawn of a new era of computational ethology.

World Science Forum 2011. előadás, absztrakt:

Hierarchikus hálózatok

A kollektív mozgási mintázatok a kollektív viselkedés talán a legelterjedtebb és leglátványosabb megnyilvánulásai. Végső célunk, hogy olyan egységesítő elveket találjunk, amelyek leírják a csoportosulás lényeges jellemzőit. Ehhez jó természetes megközelítés az egyszerre mozgó egyedi egységek közötti kölcsönhatások finom dinamikájának vizsgálata. A témába való bevezetés után három új kísérletet tárgyalunk meg. A kísérleti megfigyelések magukban foglalják mind kétfajta sejt előrehaladott szétválását, mind a galambcsoportokban kialakuló hierarchikus hálózati dinamika, illetve dominancia-hierarchiájuk vizsgálatát is. Állati viselkedéssel kapcsolatos tanulmányaink a számítógépes etológia új korának hajnalát jelzik.