Federico Battiston, der italienische Physiker, der den begehrtesten Preis in der Netzwerkwissenschaft gewann

Alles ist Netzwerk. Soziale Netzwerke, aber nicht nur. Netzwerke existieren im Gehirn , in Jäger- und Sammlerdörfern auf den Philippinen, in globalen Wirtschaftssystemen, in verschlossenen Räumen von Escape Rooms. Unsichtbare Netzwerke, die bestimmen, wer wir sind und was wir wählen. Und es gibt eine Wissenschaft, die sie untersucht. Sie wird Netzwerkwissenschaft oder Wissenschaft der Netzwerke genannt und versucht zu verstehen, wie Beziehungen zwischen Menschen, Neuronen und Institutionen das kollektive Verhalten beeinflussen .

„Worauf es bei diesen aus ganz unterschiedlichen Komponenten bestehenden Systemen ankommt, ist ihr Zusammenspiel .“ In diesen subtilen Architekturen arbeitet Federico Battiston . Er beschäftigt sich mit statistischer Physik, also der Physik vieler Objekte. Der italienische Professor wurde gerade mit dem Erdős-Rényi-Preis ausgezeichnet, der renommiertesten Anerkennung auf diesem Gebiet, benannt nach zwei ungarischen Mathematikern, die Ende der 1950er Jahre die ersten Netzwerkmodelle erfanden. Eine Art kleine Fields-Medaille für Netzwerkwissenschaft.

Battiston gab der Netzwerktheorie, in der Verbindungen zwischen Paaren von Personen beschränkt sind, wie beispielsweise in sozialen Netzwerken, starke Impulse. Stattdessen müssen wir uns Gruppen, kollektive Interaktionen und Momente ansehen, in denen die Einflüsse nicht von einem Einzelnen, sondern von vielen ausgehen.

Der 36-jährige Battiston ist außerordentlicher Professor an der Central European University in Wien und leitet das Doktorandenprogramm für Netzwerkwissenschaften , das einzige seiner Art in Europa. Er koordiniert eine Forschungsgruppe von acht Personen, darunter Doktoranden und Postdocs aus aller Welt: Inder, Chinesen, Brasilianer, Südafrikaner und natürlich Italiener.

Die Netzwerkwissenschaft ist ein interdisziplinäres Feld , das sich mit der Untersuchung all jener Systeme befasst, die wir als Netzwerke darstellen können.

„ Nicht nur soziale Netzwerke, sondern auch ökologische und biologische Systeme wie das Gehirn, Transportsysteme, Wirtschaftsaustausch oder politische Allianzen.“ Sie alle lassen sich als Netzwerke abbilden, also als eine Ansammlung von Elementen, den sogenannten Knoten , und Verknüpfungen, die deren Interaktionen beschreiben. Obwohl sie sich voneinander unterscheiden – Menschen unterscheiden sich beispielsweise von Elementen wie Neuronen oder Nationen – weisen diese Systeme auch zahlreiche gemeinsame Eigenschaften auf, die gerade mit ihrer Interaktionsstruktur zusammenhängen. Und gerade die Untersuchung ihrer Architektur ermöglicht es uns, komplexes emergentes Verhalten zu verstehen, wie etwa im Fall der Ausbreitung von Epidemien in einer Bevölkerung oder eines epileptischen Anfalls, der auftritt, wenn unser Gehirn zu stark synchronisiert.“

Romano , klassisches Gymnasium, Abschluss in theoretischer Physik an der Sapienza. Zwei Examen bei Giorgio Parisi, Nobelpreis für Physik im Bereich komplexe Systeme 2021. Dann geht er: nach London zum Doktor der Mathematik bei Vito Latora, einem der Pioniere der Netzwerkwissenschaft. Anschließend studierte er Neurowissenschaften in Paris , Anthropologie in Zürich und drei Jahre in Budapest .

„Mobilität ist eine nahezu notwendige Voraussetzung für eine akademische Karriere. Ich denke, dass ich gute Ergebnisse erzielen konnte, weil ich die Möglichkeit hatte, in verschiedenen Laboren zu arbeiten. Aber ein Umzug ist eine schwierige Entscheidung, die auf persönlicher Ebene Kompromisse erfordert, auch starke.“ Battiston ist seit 2020 in Wien .

Die Netzwerkwissenschaft ist im Alltag sehr präsent. Und viele Konzepte dieser Disziplin haben mittlerweile Eingang in die allgemeine Sprache gefunden. Wie oft haben Sie schon von der „kleinen Welt“ , den berühmten sechs Handschlägen, die alle verbinden, den sechs Graden der Trennung oder von Superspreadern gehört, die ein Virus schneller verbreiten als andere?

„Das sind alles Konzepte, die aus der Netzwerktheorie stammen. Die Algorithmen, die uns heute in den sozialen Medien sagen, was wir lesen oder wem wir folgen sollen, basieren auf der Netzwerktheorie. Ein unsachgemäßer Einsatz dieser Algorithmen kann jedoch negative Folgen haben, etwa die Bildung von Echokammern , Online-Umgebungen, in denen wir fast nur mit Menschen interagieren, die so denken wie wir, und so unsere Vorurteile verstärken und polarisieren.“

In Finanzsystemen wurde das Konzept „ too big to fail“ mittlerweile durch „too interconnected to fail“ ersetzt: „Das Gesamtrisiko eines Unternehmens oder Finanzinstituts ist kein ausreichender Parameter, um das Risiko einer systemischen Krise zu erfassen. Um jedoch zu verstehen, wie der Zusammenbruch einer Bank zu einer Reihe von ‚kaskadierenden Zusammenbrüchen‘ führen kann, müssen die komplexen finanziellen Beziehungen zwischen verschiedenen Instituten berücksichtigt werden.“

Wenn man an Covid denkt, hat die Netzwerkwissenschaft grundlegende Beiträge zur Epidemiologie geleistet. „Mithilfe realer Daten zu sozialen Kontakten und Mobilität lassen sich wesentlich genauere Vorhersagen zum Verlauf von Epidemien treffen als mit herkömmlichen Ansätzen, die auf mathematischen Gleichungen basieren. Diese gehen fälschlicherweise davon aus, dass alle Individuen gleichermaßen einem Ansteckungsrisiko ausgesetzt sind, ohne ihre spezifischen Interaktionen zu berücksichtigen.“ Schließlich produzieren Algorithmen der künstlichen Intelligenz durch die Identifizierung neuer Wirkstoffkombinationen immer wirksamere Medikamente.“

Manchmal beginnt die Netzwerkwissenschaft aber auch in einem Escape Room .

„Wir haben Daten über die Interaktionen zwischen den Leuten während des Spiels gesammelt und dann beobachtet, wer gewonnen hat und warum. Wer hat Entscheidungen getroffen, wer war zentral für das soziale Netzwerk, wer hat wirklich zur Lösung beigetragen? Ein hilfreicher Weg, um zu verstehen, was ein Team effektiv macht, welche Interaktionsstrukturen eine bessere Zusammenarbeit und Leistung ermöglichen.»

Das Netzwerk erscheint auch in der Jäger- und Sammlerdörfer auf den Philippinen oder im Kongo. Wo nichts ist. Es gibt weder Fernseher, Telefon noch Internet. „In diesen Bevölkerungsgruppen wird Wissen, beispielsweise über die Verwendung bestimmter Pflanzen für medizinische Zwecke, von Familie zu Familie weitergegeben.“ Sogar unser Mikrobiom hängt von unseren sozialen Interaktionen ab. In einer kürzlich in Science veröffentlichten Studie haben wir durch die Verknüpfung der Verbreitung kultureller Merkmale mit der genetischen Distanz zwischen verschiedenen Populationen auf der ganzen Welt gezeigt, dass Schimpansen auch Anzeichen kultureller Akkumulation aufweisen, die auf die Weitergabe von Wissen zwischen verschiedenen Generationen zurückzuführen sind, eine Eigenschaft, die bis vor kurzem als Vorrecht unserer Spezies galt. Schimpansen werden nie einen Computer bauen, aber vielleicht sind wir Menschen doch nicht so besonders …“

Die Netzwerkwissenschaft ist auch auf den Klimawandel anwendbar. „Beispielsweise könnten wir das Bewusstsein für den Klimawandel durch kollektives Handeln schärfen, das durch entsprechende soziale Interaktionen gefördert wird.“

Es gibt einen jungen Ingenieur, der CT-Scan-Bilder untersucht, um Maschinen beizubringen, sie besser zu lesen. Sie ist erst 25 Jahre alt, eine Expertin für mathematische Modellierung und davon überzeugt, dass diese Daten einen weitaus größeren klinischen Wert haben, als wir heute nutzen können. Ihr Name ist Angelica Iacovelli und sie geht über Forschungsprojekte hinaus. Er entwickelte Algorithmen mit einem konkreten Ziel: die Automatisierung der CT-Scan-Analyse in der Onkologie, ein Prozess, der in vielen Krankenhäusern heute noch manuell durchgeführt wird und von dem grundlegende Entscheidungen abhängen. Zunächst einmal: die Art der Betreuung.

Er studierte am Polytechnikum Mailand, forschte in Stanford, gründete ein Startup in den USA und arbeitet heute zwischen Mailand und San Francisco. Er arbeitet mit dem Onkologen Michele Ghidini vom Policlinico in Mailand zusammen und hat einen Traum: „Dafür zu sorgen, dass die Forschung nicht in Papierform bleibt, sondern zu einem echten Werkzeug in den Händen der Ärzte wird.“

Ihr zuzuhören ist ein Wunder.

„Wir haben eine Software entwickelt, die die Analyse von CT-Bildern automatisiert, um wichtige Kennzahlen zu extrahieren, die heute nicht verwendet werden. Zu diesen Messwerten zählen beispielsweise die Skelettmuskelmasse. Genau anhand dieses Messwerts bestimmen wir, ob ein Krebspatient an Sarkopenie leidet.“ Er erklärt präzise, ​​dass Sarkopenie eine Krankheit ist, bei der Muskeln und Kraft verloren gehen und dass sie laut neuesten wissenschaftlichen Studien mit einer Verschlechterung der Therapieergebnisse und einer höheren Sterblichkeitsrate korreliert. „Heute werden diese Analysen manuell oder mit Instrumenten durchgeführt, die für die Forschung entwickelt wurden und in der klinischen Praxis nicht einsetzbar sind (sie haben eine sehr hohe Fehlerquote). Bisher hat noch niemand eine klinisch einsatzfähige Software eingeführt, um Sarkopenie direkt anhand von CT-Bildern zu identifizieren. Unser Ziel ist genau dies: diese Technologie in die Klinik zu bringen, mit Ergebnissen, die in weniger als 2 Sekunden vorliegen und ohne dass ein externer Experte, beispielsweise ein Ernährungsberater, hinzugezogen werden muss.“

Hat jemand schon einmal daran gedacht? „Im medizinischen Bereich kommt es sehr langsam zu Innovationen. Wir geraten mit Vorschriften, Politik und langen Zeitplänen in Konflikt . Es ist schwierig und diejenigen, die es versuchen, geben oft auf. Aber jemand muss es tun. Und wenn es niemand tut, werde ich es tun."

Angelica arbeitet mit mathematischen Modellen und Algorithmen der künstlichen Intelligenz, die auf die medizinische Bildanalyse angewendet werden. „Ich verwende unter anderem neuronale Netzwerke und Segmentierungstechniken auf Basis von Hounsfield-Einheiten (in CT-Scans enthaltene Dichtewerte), um automatisch zwischen verschiedenen Körpergeweben – etwa Muskeln, viszeralem und subkutanem Fett – zu unterscheiden und klinisch relevante Messwerte abzuleiten.“

Seine Geschichte beginnt in Bari. Er wuchs zwischen Grumo Appula und Palo del Colle auf, zwei Städten im Hinterland von Bari. Einzelkind, einfache Herkunft. „Mein Vater war Hausmeister, meine Mutter kümmerte sich um das Haus. Wir hatten nie viele Mittel und mussten große Opfer bringen, um zu studieren.“

Nach dem Abitur entschied er sich für Bauingenieurwesen am Polytechnikum Mailand. Es ist kein geradliniger Weg: „Irgendwann habe ich angefangen, Beton zu studieren, und mir wurde klar, dass das nicht das war, was ich machen wollte.“ Er hält inne, denkt nach, verändert sich. Er schrieb sich für Mathematische Ingenieurwissenschaften ein: „Mir gefiel die Idee, solide Werkzeuge zu erwerben, um sie dann in verschiedenen Bereichen anzuwenden – Biomedizin, Finanzen, Statistik.“ Während seiner Studienzeit gewann er mehrere Stipendien und ging ins Ausland, ein Jahr nach Spanien und eines nach Indien. Dann macht er seinen Abschluss und erhält die Chance, die alles verändert: Er kann in Stanford forschen. „Schon damals musste ich nach finanziellen Mitteln suchen, um umziehen zu können. Ich begann, mit allen zu reden, überall zu schreiben und bewarb mich um jedes mögliche Stipendium, sogar um die, für die ich nicht die Voraussetzungen erfüllte.“

Schließlich wurde sie für das Ermenegildo Zegna Founder's Scholarship ausgewählt, das ihr einen Forschungsaufenthalt in Stanford ermöglichte. Dort arbeitet er an Computermodellen zur Simulation des Herz-Kreislauf-Systems, basierend auf Graphen und künstlicher Intelligenz. Und gewinnt den BHI-Award. „Wir haben einen digitalen Zwilling des Blutflusses im Herz-Kreislauf-System entwickelt : ein KI-Modell, das das Verhalten des Herz-Kreislauf-Systems für jeden Patienten individuell simulieren kann. Ich habe Long Short-Term Memory (LSTM)-Neuralnetzwerke mit Graph Neural Networks kombiniert und so Verbesserungen gegenüber früheren Methoden erzielt. Aber das Beeindruckendste ist die Geschwindigkeit: Herkömmliche Methoden können stundenlange Berechnungen auf Supercomputern erfordern, um auch nur einen einzigen Herzschlag zu simulieren. Unser Modell schafft das in wenigen Sekunden.

Eine Erfahrung, die ihr vieles verständlich macht. „Mir wurde klar, dass wir sehr leistungsfähige Werkzeuge bauen könnten. Aber ich wollte, dass sie wirklich genutzt werden und etwas bewirken.“ Also beginnt Iacovelli, Kontakte zu knüpfen, spricht mit Leuten, die in der Startup-Welt arbeiten und erhält ein weiteres Stipendium von Des Traynor, Mitgründer von Intercom, einem Unicorn im Silicon Valley.

Dann schließt er sich Lead the Future an, einem Netzwerk italienischer Talente aus der MINT-Welt, das Mentoren und Mentees zusammenbringt, und trifft den Onkologen Ghidini. „Stundenlang erzählte er mir von den konkreten Problemen, mit denen die Ärzte täglich auf der Station konfrontiert werden. Es hat mir eine völlig neue Welt eröffnet. Ich habe Hunderte anderer Onkologen in Italien und im Ausland kontaktiert, um zu überprüfen, ob es sich um ein gemeinsames Problem handelte. Und ich habe herausgefunden, dass es so war.“

Im Sommer 2024 gründete Angelica Nucleo Research im Silicon Valley . Die Validierungsphase beginnt.

Die nächsten Schritte ihrer Arbeit sind entscheidend. „Wir wollen eine Software in die klinische Praxis bringen, mit der sich Tumorläsionen automatisch messen und in zielgerichtete und nicht zielgerichtete, gutartige oder bösartige Läsionen einteilen lassen. In fast allen Krankenhauseinrichtungen wird die Messung noch manuell durchgeführt.“

In der Zwischenzeit bereitet Angelica die erste Runde der Mittelbeschaffung mit internationalen Investoren vor. „Ich prüfe derzeit einige Unterstützungsmöglichkeiten von internationalen Einrichtungen, die an dem Projekt interessiert sind.“

Es ist auch ein persönliches Anliegen, das sie antreibt. „Ich bin in einem Umfeld aufgewachsen, in dem die Krankheit präsent war, und ich hatte nie Kontrolle über irgendetwas. Meine Mutter ist vor einigen Jahren an einem aggressiven Tumor gestorben. Mein Vater leidet an Muskeldystrophie und ist heute bewusstlos. Wenn ich den Lauf der Dinge schon nicht ändern kann, habe ich beschlossen, zumindest zu versuchen, die Art und Weise zu ändern, wie man mit ihnen umgeht.“

Angelica leitet außerdem die Kommunikation der iTAL Foundation , einer gemeinnützigen Organisation, die Brücken zwischen italienischen Talenten und dem Silicon Valley baut.

Seine wissenschaftliche Vision ist klar. „Heutzutage sind die Erkennungsmodelle bereits extrem weit fortgeschritten. Ich glaube, der Engpass liegt nicht mehr in der Technologie. Das Problem ist alles, was danach kommt: regulatorische Hürden, Datenschutz, lange Vorlaufzeiten, Integration in klinische Prozesse. Der Arzt muss disruptiven Instrumenten vertrauen können. Unser Ziel ist es nicht, ihn zu ersetzen, sondern ihm ein zusätzliches Werkzeug zu geben. Und machen Sie es zuverlässig.“

Was hat Ihr Leben wirklich verändert?

«Der Wunsch, etwas Eigenes zu machen. Oft ist man in der Welt der Forschung oder in großen Unternehmen Teil eines Rädchens. Ich möchte einen direkten, echten Einfluss haben und sehen, wie sich aus einer Idee etwas Funktionales entwickelt. Ich bin fast besessen von meinem Projekt. Es steht in meinem Leben an erster Stelle. Und wenn ich meine Erfolgschancen erhöhen möchte, muss ich im Silicon Valley sein. Wenn Sie in San Francisco sind und zu einer Veranstaltung gehen, fragt Sie niemand: Wie geht es Ihnen? Die erste Frage, die Sie hören, lautet: Was bauen Sie? Hinzu kommt, dass man sich in Italien immer wie ein „zu junges“ Mädchen fühlt und kein Vertrauen genießt. Wenn man sagt: „Ich möchte Krebs heilen“, antworten sie ironisch oder mit: „Was sagen Sie da?“. Wenn ich den gleichen Satz in Kalifornien sage, lautet die Antwort: „Super! Wie wollen Sie das machen? Kann ich Ihnen helfen?“

Wir jungen Leute können Sie inspirieren. Wir können die Welt verändern, und zwar auch ohne den traditionellen Pfaden zu folgen. Wir brauchen Vertrauen. Aus diesem Grund rate ich meinen Kollegen, sich vom Pessimismus nicht entmutigen zu lassen. Und das ist nichts weiter als eine Abwehrhaltung, ein Schutzschild, eine Möglichkeit, Risiken zu vermeiden. Aber die Zukunft baut man nicht dadurch, dass man auf Sicherheit achtet.“

Battiston hat im Laufe seiner Karriere an vielen Orten gearbeitet. Aber niemals in Amerika. „Ich habe während meiner Highschool-Zeit mehrere Monate in den USA verbracht und bin danach viel gereist. Aber ich bin kein großer Fan des amerikanischen Forschungssystems, das eher auf Wettbewerb im darwinistischen Sinne des Überlebens des Stärkeren als auf Kooperation basiert . In Europa verfügen wir über weniger Ressourcen, aber in unserem Handwerk sind wir gut darin, mit dem Wenigen, das wir haben, gut auszukommen. Der Erdos-Renyi-Preis wird fast immer von Forschern gewonnen, die Amerikaner sind oder in den Vereinigten Staaten leben. Und heute betrachte ich diese Auszeichnung als eine Anerkennung unserer europäischen Gemeinschaft, die grundlegende Beiträge zur Netzwerkwissenschaft geleistet hat. Und zu den italienischen Universitäten fügt er hinzu: „Dieselben kritischen Themen in Italien, die in den Zeitungen hervorgehoben werden, finden sich oft auch im Ausland, beschönigt durch erhöhte Finanzierung.“ Die PNRR-Gelder haben dazu beigetragen, unserem Land einen neuen Anlauf zu geben, aber jetzt brauchen wir Strukturfondsmittel, um das Erreichte zu konsolidieren.“

Würden Sie nach Italien zurückkehren?

„Wenn interessante Vorschläge eintreffen, höre ich mir diese aufmerksam an. Derzeit liegen meine Beziehungen zum Italiener im sportlichen Bereich. Ich gehöre zum Nationalen Meisterteam der Ü33-Jährigen im Ultimate Frisbee, einer wunderschönen Sportart, die ich jedem empfehle, der mal etwas anderes ausprobieren möchte.“ Und dann fügt er hinzu: „Jeder von uns sollte einen Bereich finden, für den er sich begeistert. Und Zeit mit Experten, Betreuern und Mentoren verbringen. Denn wie die Netzwerkwissenschaft lehrt, braucht die Verbreitung von Wissen Interaktion .“