生物医学网络科学Biomedical Network Science
Network Foundations

网络基础理论

网络的数学表示、结构指标、统计特征、生成模型、组织结构,以及从原始测量到网络的构建与统计验证。

Topics专题

复杂系统与网络的数学表示

Complex systems and graph representations

把由大量相互作用组分构成的生物医学系统抽象为图,并用邻接矩阵、关联矩阵、拉普拉斯矩阵和边列表等数学对象表示与计算。

  1. 复杂系统与涌现
  2. 网络科学简史
  3. 网络的类别:技术、信息、社会与生物网络
  4. 图的定义与基本类型
  5. 二分网络与多部网络
  6. 多层网络、时间网络与超图
  7. 邻接矩阵
  8. 关联矩阵、度矩阵与拉普拉斯矩阵

网络结构指标与随机图

Network metrics and random graphs

用度、路径、聚集、效率与中心性刻画网络结构,并以 Erdős–Rényi 随机图为零模型判断真实网络的特殊之处。

  1. 度、平均度与密度
  2. 度分布
  3. 路径、距离与最短路径算法
  4. 连通分支与巨连通分支
  5. 聚集系数
  6. 全局效率与局部效率
  7. 加权网络的指标
  8. 中心性:度、接近与介数

社团结构与社区发现

Community structure and detection

研究网络中内部紧密、彼此稀疏的节点群:模块度与随机块模型、主要算法、可检测性、结果评价与生物学验证。

  1. 弱关系理论与社团的定义
  2. 社团的基本假设与形式化定义
  3. 模块度
  4. Girvan–Newman 算法与边介数
  5. Louvain 与 Leiden 算法
  6. 谱方法与层次聚类
  7. 随机块模型与统计推断
  8. 映射方程与 Infomap

度相关性与网络结构的高阶统计

Degree correlations and higher-order structure

度分布之外,谁和谁相连:联合度分布、同配与异配、结构截断、富人俱乐部、聚集谱与 k-核,以及它们对传播、渗流、同步与控制的影响。

  1. 联合度分布与条件度分布
  2. 邻居平均度函数与相关指数
  3. 度相关系数 r
  4. 结构截断与结构性异配
  5. 度保持随机化检验
  6. 生成具有度相关的网络
  7. 富人俱乐部系数及其归一化
  8. 聚集谱 C(k) 与层次模块性

网络构建与统计验证

Network construction and statistical validation

从影像、量表、表达谱和相互作用数据库到网络,再到可信结论:节点与边的定义、连接估计、阈值、零模型、统计推断与稳定性检验。

  1. 节点与边的定义
  2. 连接强度的估计
  3. 从时间序列推断有向边
  4. 阈值、加权与稀疏化
  5. 边权不确定性向网络指标的传播
  6. 零模型与空模型
  7. 统计推断与多重比较
  8. 网络之间的距离与相似性

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Papers论文精读

经典分子网络与基因调控网络基础理论Statistical Applications in Genetics and Molecular Biology · 2005

加权基因共表达网络分析的一般框架

A general framework for weighted gene co-expression network analysis
Zhang B, Horvath S

提出用“软阈值”把基因间相关转为连续连接权重,构建加权共表达网络,并把连接度、拓扑重叠、聚集系数推广到加权情形。

经典网络基础理论▶ 视频PNAS · 2006

网络中的模块度与社团结构

Modularity and community structure in networks
Newman MEJ

把模块度写成模块度矩阵的二次型,按其主特征向量的正负号二分网络,得到快速而高质量的社团发现算法。

经典网络基础理论Journal of Statistical Mechanics · 2008

大规模网络中社团的快速展开

Fast unfolding of communities in large networks
Blondel VD, Guillaume J-L, Lambiotte R, Lefebvre E

提出“局部移动 + 聚合”反复迭代的模块度优化算法(Louvain),在上亿节点的网络上几小时内完成社团发现。

经典脑网络与连接组网络基础理论Nature Reviews Neuroscience · 2009

复杂脑网络:结构与功能系统的图论分析

Complex brain networks: graph theoretical analysis of structural and functional systems
Bullmore E, Sporns O

系统梳理用图论分析脑结构与功能网络的流程与发现,总结小世界、枢纽、模块化等跨尺度、跨模态反复出现的特征。

经典网络基础理论Nature Communications · 2019

无标度网络是罕见的

Scale-free networks are rare
Broido AD, Clauset A

用严格的统计检验分析 928 个真实网络数据集,发现强无标度结构很少见,对数正态往往拟合得同样好或更好。

研究论文脑网络与连接组网络基础理论▶ 视频在投稿件 · 2026

共同接收者中的突触组织预测输入神经元之间的连接

Synaptic organization in shared receivers predicts connectivity between input neurons
Zhang X

在两个成年果蝇连接组中,相连输入源的突触在共同接收神经元上靠得更近,这种空间信息可帮助预测未见过的输入神经元之间的连接。

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