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Laboratorio sui sistemi complessiIl Laboratorio è una struttura multi-disciplinare orientata allo sviluppo di tematiche di ricerca sui "Sistemi Complessi", ed al coinvolgimento di studenti della Scuola Superiore da avviare allo studio ed alla sperimentazione in tali settori.
Il laboratorio vede lavorare a stretto contatto studenti e ricercatori di discipline diverse: fisica, matematica, biologia, medicina, chimica, ingegneria ed informatica, ed è basato sulla forte interazione tra due linee di ricerca/sviluppo sperimentali e due linee di ricerca/sviluppo teorica e di modellistica dei fenomeni osservati.
Alla linea di ricerca basata sull'analisi degli aspetti statistici e dinamici dei sistemi complessi e sulla loro modellizzazione come reti complesse, si affianca una doppia struttura sperimentale basata da un parte sulla realizzazione ed il controllo di circuiti non lineari, e dall'altra sulla messa a punto di metodi avanzati di analisi globale dell'espressione genica e delle varianti geniche polimorfiche e sulla analisi dei relativi dati. In aggiunta a questo, una massiccia struttura di modellistica matematica e relativi metodi numerici è in grado di supportare le attività sperimentali mediante simulazioni e di perseguire linee di sviluppo autonome.
L'attività del laboratorio si articola quindi secondo le seguenti quattro linee di ricerca/sviluppo:
Informazioni importanti su di un sistema complesso, come il cervello umano, un sistema sociale, o il World Wide Web, si possono ottenere analizzando la struttura del sistema, cioé la topologia della rete che rappresenta le relazioni fra i suoi costituenti elementari (i neuroni, gli individui di un sistema sociale, le pagine Web). L’attività di questa linea di ricerca è incentrata sulla caratterizzazione e la modellizzazione di reti e di dinamiche sociali e biologiche, lo sviluppo di modelli di diffusione di malattie e di relative strategie di immunizzazione, l’applicazione della teoria delle reti a sistemi di agenti in movimento e a problemi di interesse per l’urbanistica. L’interdisciplinarietà di questi studi richiede l’utilizzo di una combinazione di osservazioni empiriche, metodi matematici e simulazioni al calcolatore.
Docenti e ricercatori coinvolti
La non linearità è una delle caratteristiche fondamentali dei sistemi complessi e l’analisi, la comprensione e la descrizione della complessità di un fenomeno o di un sistema passano necessariamente attraverso la definizione di modelli non lineari. L’attività che riguarda il controllo di circuiti non lineari si articola su due temi: le reti non lineari cellulari (CNN) per la modellizzazione circuitale di sistemi complessi, e la sincronizzazione di circuiti con dinamiche caotiche. I due temi evidenziano due passi di un unico percorso che, partendo dalla definizione di un modello non lineare di sistema complesso di ordine basso, giunge alla definizione di un sistema formato da più unità interagenti o spazialmente esteso. Attività portante del laboratorio è la realizzazione sperimentale di prototipi circuitali per la modellizzazione di dinamiche complesse con l’obiettivo di sviluppare piattaforme A/D orientate all’interfaccia adattativa delle tecnologie elettroniche a supporto di biosistemi, geosistemi, ecosistemi per l’ integrazione di diversificate tecnologie mirate all’ingegneria del controllo di sistemi complessi.
Docenti e ricercatori coinvolti
Si tratta di una linea di ricerca prettamente sperimentale, la cui attività si svolge in un laboratorio di medicina biomolecolare dotato di avanzati macchinari per l’analisi in parallelo di DNA-chip. L’obiettivo principale di questa linea di ricerca è la messa a punto di metodi avanzati per l’analisi globale dell’espressione genica e delle varianti geniche polimorfiche, e il processamento dei relativi dati prodotti (networks genomica). Il laboratorio ha già portato avanti studi su campioni di soggetti affetti da leucemia mieloide acuta e da tumori colorettali, in stretta collaborazione con altri centri di ricerca medica italiani, utilizzando nuovi strumenti statistici ed informatici basati sull’analisi di reti biomolecolari.
Docenti e ricercatori coinvolti
Lo studio di sistemi complessi e l’analisi della struttura e delle dinamiche tipiche di reti sociali, tecnologiche e biologice necessitano di una adeguata trattazione matematica. In particolare, la caratterizzazione della struttura di reti complesse fa largo uso di concetti derivanti dalla teoria dei grafi, l’analisi del comportamento dinamico di reti complesse richiede spesso la soluzione di sistemi di equazioni differenziali, il processamento di dati provenienti da esperimenti biomolecolari richiede lo sviluppo di algoritmi efficienti. Pertanto questa linea di ricerca ha l’obiettivo di fornire il necessario supporto analitico/numerico alle altre linee linee di ricerca del Laboratorio, e si concentra soprattutto sullo sviluppo di modelli matematici accurati per sistemi complessi e di algoritmi e metodi numerici per la soluzione efficiente di tali modelli, anche mediante il ricorso a simulazioni al calcolatore.
Docenti e ricercatori coinvolti
Il laboratorio mantiene una intensa attività di collaborazione scientifica con varie Università e centri di ricerca italiani ed esteri. Presso i locali del Laboratorio si organizzano periodicamente seminari, cicli di lezioni e incontri con esponenti di chiara fama nel campo dei sistemi complessi. Inoltre viene offerta agli studenti della Scuola la possibilità di partecipare a conferenze e periodi di studio presso laboratori e centri di ricerca italiani ed esteri, al fine di favorire il loro inserimento nel mondo lavorativo ed accademico.
Informazioni importanti su di un sistema complesso, come il cervello umano, un sistema sociale, o il World Wide Web, si possono ottenere analizzando la struttura del sistema, cioé la topologia della rete che rappresenta le relazioni fra i suoi costituenti elementari (i neuroni, gli individui di un sistema sociale, le pagine Web). L’attività di questa linea di ricerca è incentrata sulla caratterizzazione e la modellizzazione di reti e di dinamiche sociali e biologiche, lo sviluppo di modelli di diffusione di malattie e di relative strategie di immunizzazione, l’applicazione della teoria delle reti a sistemi di agenti in movimento e a problemi di interesse per l’urbanistica. L’interdisciplinarietà di questi studi richiede l’utilizzo di una combinazione di osservazioni empiriche, metodi matematici e simulazioni al calcolatore.
Docenti e ricercatori coinvolti
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Vito Latora Professor in Physics University of Catania |
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Giovanni Piccitto Professor in Physics University of Catania |
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Jesús Gómez-Gardeñes Professor in Physics University of Zaragoza |
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Roberta Sinatra PhD Student in Physics University of Catania and INFN |
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Manlio De Domenico PhD student in Nuclear and Particle Astrophysics Scuola Superiore di Catania and INFN |
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Salvo Assenza MSc Student in Physics University of Catania and Scuola Superiore di Catania |
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Massimo Cavallaro MSc student in Physics University of Catania |
La non linearità è una delle caratteristiche fondamentali dei sistemi complessi e l’analisi, la comprensione e la descrizione della complessità di un fenomeno o di un sistema passano necessariamente attraverso la definizione di modelli non lineari. L’attività che riguarda il controllo di circuiti non lineari si articola su due temi: le reti non lineari cellulari (CNN) per la modellizzazione circuitale di sistemi complessi, e la sincronizzazione di circuiti con dinamiche caotiche. I due temi evidenziano due passi di un unico percorso che, partendo dalla definizione di un modello non lineare di sistema complesso di ordine basso, giunge alla definizione di un sistema formato da più unità interagenti o spazialmente esteso. Attività portante del laboratorio è la realizzazione sperimentale di prototipi circuitali per la modellizzazione di dinamiche complesse con l’obiettivo di sviluppare piattaforme A/D orientate all’interfaccia adattativa delle tecnologie elettroniche a supporto di biosistemi, geosistemi, ecosistemi per l’ integrazione di diversificate tecnologie mirate all’ingegneria del controllo di sistemi complessi.
Docenti e ricercatori coinvolti
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Luigi Fortuna Professor in System Theory University of Catania |
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Mattia Frasca Post-doc University of Catania |
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Arturo Buscarino Post-doc Scuola Superiore di Catania |
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Salvo Scellato PhD student in Computer Science University of Cambridge |
Si tratta di una linea di ricerca prettamente sperimentale, la cui attività si svolge in un laboratorio di medicina biomolecolare dotato di avanzati macchinari per l’analisi in parallelo di DNA-chip. L’obiettivo principale di questa linea di ricerca è la messa a punto di metodi avanzati per l’analisi globale dell’espressione genica e delle varianti geniche polimorfiche, e il processamento dei relativi dati prodotti (networks genomica). Il laboratorio ha già portato avanti studi su campioni di soggetti affetti da leucemia mieloide acuta e da tumori colorettali, in stretta collaborazione con altri centri di ricerca medica italiani, utilizzando nuovi strumenti statistici ed informatici basati sull’analisi di reti biomolecolari.
Docenti e ricercatori coinvolti
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Daniele Condorelli Professor in Biochemistry University of Catania |
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Enza Barresi Professor in Clinical Biochemistry University of Catania |
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Nicola Musso Post-doc Scuola Superiore di Catania |
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Carmen Capizzi PhD student in Stem cells Scuola Superiore di Catania |
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Alessandra Romano PhD student in Stem cells Scuola Superiore di Catania |
Lo studio di sistemi complessi e l’analisi della struttura e delle dinamiche tipiche di reti sociali, tecnologiche e biologice necessitano di una adeguata trattazione matematica. In particolare, la caratterizzazione della struttura di reti complesse fa largo uso di concetti derivanti dalla teoria dei grafi, l’analisi del comportamento dinamico di reti complesse richiede spesso la soluzione di sistemi di equazioni differenziali, il processamento di dati provenienti da esperimenti biomolecolari richiede lo sviluppo di algoritmi efficienti. Pertanto questa linea di ricerca ha l’obiettivo di fornire il necessario supporto analitico/numerico alle altre linee linee di ricerca del Laboratorio, e si concentra soprattutto sullo sviluppo di modelli matematici accurati per sistemi complessi e di algoritmi e metodi numerici per la soluzione efficiente di tali modelli, anche mediante il ricorso a simulazioni al calcolatore.
Docenti e ricercatori coinvolti
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Giovanni Russo Professor in Numerical Analysis University of Catania |
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Giuseppe Nicosia Professor in Computer Science University of Catania |
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Vincenzo Nicosia Post-doc Scuola Superiore di Catania |
Il laboratorio mantiene una intensa attività di collaborazione scientifica con varie Università e centri di ricerca italiani ed esteri. Presso i locali del Laboratorio si organizzano periodicamente seminari, cicli di lezioni e incontri con esponenti di chiara fama nel campo dei sistemi complessi. Inoltre viene offerta agli studenti della Scuola la possibilità di partecipare a conferenze e periodi di studio presso laboratori e centri di ricerca italiani ed esteri, al fine di favorire il loro inserimento nel mondo lavorativo ed accademico.
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