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Conflict, Competition, Cooperation and Complexity: Using Evolutionary Game Theory to model realistic populations

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Zum Wohle der Medizin: Spieltheorie trifft auf Biologie

Ein EU-Projekt bedient sich der evolutionären Spieltheorie, um reelle Populationen zu modellieren. Dazu untersucht es das Verhalten der Populationen von Agierenden, die sich immer wieder an strategischen Interaktionen beteiligen, und konzentriert sich auf die Themen Konflikt, Wettbewerb, Zusammenarbeit und Komplexität.

Gesellschaft

Die evolutionäre Spieltheorie erweist sich als wertvolles Instrumentarium, um komplexe biologische Systeme zu verstehen und zu analysieren. Das EU-finanzierte Projekt FourCmodelling machte sich diese Theorie bei seiner Forschung zunutze, wobei vier einander ergänzende Konzepte berücksichtigt wurden. Die vier C beziehen sich dabei auf Conflict, Competition, Cooperation und Complexity – die englischen Begriffe für Konflikt, Wettbewerb, Zusammenarbeit und Komplexität. Ergebnis des Projekts ist die Veröffentlichung von 78 Forschungsarbeiten, an denen 95 Autorinnen und Autoren beteiligt waren. Aus der Zusammenarbeit zwischen den Unterprojekten ging die Entwicklung gemeinsamer Arbeitsbemühungen hervor – „eine beträchtliche Herausforderung“, wie es Mark Broom, Professor für Mathematik an der City, University of London und Koordinator des Projekts, nennt. „Bereichsübergreifende Arbeiten wie diese lassen sich viel schwerer zusammenstellen als entsprechende Arbeiten in den Unterprojekten, die durch viel etabliertere Teams erstellt werden.“ Die Partner führten vier jährliche Seminare durch, die 2016 in Prag, 2017 in London, 2018 in Turin und 2019 in Maastricht stattfanden.

Unterprojekte als Unterstützung des großen Ganzen

Vier Unterprojekte – Modellierung von strukturierten Populationen, Modelle zu zeitlichen Einschränkungen, Analyse komplexer Zeitreihendaten und Krebsmodellierung – wurden parallel entwickelt und durch häufige Forschungsaufenthalte begünstigt, an denen jeweils ein Team aus Forschenden aus der EU und Nordamerika beteiligt war. Diese hatten regelmäßige Interaktionen und Treffen zur Folge. Damit sollten Forschungskooperationen aufgebaut und gestärkt und eine umfangreiche, vielfältige und gleichzeitig konsistente Theorie mit weitreichender Anwendbarkeit aufgestellt werden. Sowohl erfahrene Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler als auch Nachwuchsforschende profitierten u. a. durch längere Forschungsaufenthalte vom Ausbau bestehender Kooperationen. Die Forschungsteams der ersten zwei Unterprojekte konnten durch mehrere gemeinsame Abhandlungen eine bedeutsame Forschungsinteraktion aufbauen, aus der die Vereinheitlichung zweier verschiedener Modellierungsmethoden hervorging, welche zeitliche Einschränkungen und räumliche Faktoren umfassen. Die am dritten Unterprojekt beteiligte Forschungsgruppe entwickelte eine Methodik sowie Software, um Zeitreihen zu analysieren und Anzeichen für bedeutende Ereignisse zu erkennen. Die untersuchten Verfahren lassen sich in zahlreichen Bereichen anwenden, zum Beispiel bei der Ausbreitung von Epidemien. Forscherinnen und Forscher, die am vierten Unterprojekt beteiligt waren, konnten belegen, dass bei der Behandlung von metastasierendem Krebs ein Paradigmenwechsel in Richtung evolutionäre Therapien notwendig ist. Diese Erkenntnis geht einerseits aus den spieltheoretischen Ideen hervor, die im Rahmen des Projekts entwickelt wurden, und ist andererseits auf den Erfolg klinischer Studien zurückzuführen, die auf der Spieltheorie basieren. Eine zugehörige Abhandlung, „Optimizing Cancer Treatment Using Game Theory – A Review“, in der es um die Optimierung der Krebstherapie anhand der Spieltheorie geht, wurde in der Fachzeitschrift JAMA Oncology veröffentlicht.

Von Kooperation zu Innovation und Netzwerken

Eines der wichtigsten Ziele der Förderung war die Fortsetzung des gemeinsamen Projekts der Teams durch die Weiterentwicklung der Forschung und den Aufbau eines Netzwerks aus Forschungseinrichtungen, die in diesem Bereich tätig sind. Daher erarbeitete das Konsortium ein erfolgreiches Angebot für ein Forschungsstipendium im Rahmen des innovativen Marie-Skłodowska-Curie-Ausbildungsnetzwerks, das auf bestehenden Netzwerken aufbaut. Das Stipendium beginnt im März 2021 und umfasst nahezu alle Organisationen aus der früheren MSCA-RISE-Förderinitiative sowie 15 weitere Einrichtungen. Es ist auf die Ausbildung von 15 Nachwuchsforschenden ausgerichtet, von denen jeweils eine Person an einer der 15 Gastgebereinrichtungen eingesetzt wird. Außerdem stärkt es den ursprünglichen akademischen Kern des Projekts, da nun auch ein viel größeres Engagement aus dem nichtakademischen Bereich, darunter Unternehmen und Krankenhäuser, miteingebunden wird.

Schlüsselbegriffe

FourCmodelling, Forschung, Spieltheorie, Evolution, Populationen, Konflikt, Wettbewerb, Zusammenarbeit, Modellierung, Komplexität, Biologie

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