在自然界中经常发现环状网络-例如，在神圣榕叶的静脉中考虑一棵树的叶子或蜻蜓的翅膀上的细微分支图案，您会看到由嵌套环组成的复杂网络。 在自然界和人造结构中到处都有这样的模式：在大脑的脉管系统中，在菌丝体中，以复杂的喂养粘液形式，以及在艾菲尔铁塔的金属分支中。
包括循环的网络体系结构（例如冗余计算机网络或电气网络）使其具有抗破坏性。 洛克菲勒大学的物理学家
马塞洛·马格纳斯科（
Marcelo Magnasco）指出，埃菲尔铁塔是环回结构的一个明显示例，该环回结构旨在在其递归框架上尽可能均匀地分配负载。 令人惊讶的是，我们对为何叶静脉网络或皮层血管以相同方式组织的了解甚少。
蜻蜓翅膀上的环形网使它们抗损坏“令人厌恶的是，我们对实体之间的化合物的物理知识了解很多，”麦格纳斯科谈到简单的循环系统时说道。 -而且，尽管如此，我们还是不了解整个系统。 我们不知道为什么它们看起来像这样，或者为什么每棵树都不同于其他树。”
在过去的几年中，Magnasco和其他科学家已经开始探索这种模式在自然界中非常普遍的原因。 对大脑的叶片和血液供应的研究已经证实，嵌套环会产生一种抗损坏的结构，可以应对流体流量的波动。 现在，科学家们开始对这些网络的性质进行数值评估，了解其主要特征（例如稳定性），并了解如何尽可能多地比较这些网络。
“植物是物理研究中令人印象深刻的系统，因为它们在数学上很漂亮，”与
马格纳斯科合作的马克斯·普朗克动力学与自组织研究所的物理学家
埃莱尼·卡蒂菲里 （
Eleni Katifori）说。 据她介绍，这些植物是反复生长的，并且通常具有类似于晶体的结构，这种结构可以在例如视锥细胞或向日葵花中找到。 “我们希望通过了解静脉结构，可以更好地了解植物的光合功效。”
了解静脉的结构可以揭示大脑表面更为复杂的循环系统，并有助于了解大脑活动与血流之间的关系。 这种联系尚不明确，但是由于这种关系，可以进行功能磁共振成像，这是获取脑部图像的最流行方法之一。
标记这些网络可以帮助识别特别容易中风的大脑部分，并了解血流在阿尔茨海默氏病和其他认知疾病中的作用。 “想象一下我们如何看待患病的大脑，并试图确定这些基本参数是否发生了变化，以及这可能与疾病的发展有关，”波士顿麻省医院的物理学家
戴维·博阿斯 （
David Boas）说。
寻找食物时，多头Phys头形成环状网络由于循环系统可以表示为连接管的网络，并且可以借助众所周知的方程式来计算流体流量，因此物理学家可以非常轻松地对诸如树叶上的静脉之类的简单网络进行建模。 通过研究这样的系统，Magnasco希望了解为什么静脉具有这样的大小和如此的连接角度，以及不同尺度的结构如何在网络中一起工作。
Magnasco说，易于可视化的网络分析方法可以应用于难以建模的生物网络，例如，应用于基因和蛋白质相互作用的网络或大脑的神经网络。 麦格纳斯科说，叶子“是一个很好的研究对象，因为它们没有其他网络固有的困难”。
如何建立工作表
当有必要构建有效的网络时，演进需要考虑两个因素：构建成本和网络运营成本。 就船只而言，这意味着制造静脉和通过其泵送流体的成本。 最便宜的是使用简单的树状结构进行操作，这种结构可以在古代植物中找到。 这种结构虽然有效，但不是很稳定。 如果连接损坏，则系统的一部分
会遭受流体损失并死亡 。
为了了解静脉体系结构的拓扑结构，Katifori和Magnasco建立了一个简单的网络模型，试图
弄清其基本特性 。 他们以不同压力和流量的管网形式对静脉（木质部）进行建模。 他们试图回答这个问题：在有限数量的管道中，如何分配管道以最大程度地减少压降并使系统尽可能不受损坏？ Katifori说，在现实世界中，“昆虫被咬掉的叶子继续起作用”。
他们发现，分层嵌套循环的体系结构（即循环内部的循环）比其他循环更能抵抗损坏。 Katifori说：“环路为网络增加了冗余。” “万一发生损坏，可以通过其他渠道重新引导水。” 由
发表在《公共科学杂志》上的模型获得的结构看起来与某些叶片非常相似。
啮齿动物皮层表面的血管形成环状网络，即使在受到轻微损害后，血液也可以迅速到达任何区域荧光液体流过受损叶片的惊人镜头帮助研究人员定量描述了水分如何在受损部位周围流动。 银杏叶（Ginkgobilŏba）的叶子是一种进化上古老的植物，具有树状而不是环状的结构，因此不能自称具有这种耐力。
研究人员还发现，随着环境条件的变化，环形网络可以更好地应对流体循环的波动。
Katifori和Mgnasco现在对适应性环网建模，这些环网会随着条件的变化而发展。 这样的过程可以发生在真菌，某些类型的霉菌中，甚至发生在动物不断发展的循环系统中。 例如，寻找食物的粘液不断变化形状，伸出手指，通常呈环状网状。 在一项惊人的实验中，日本研究人员
在散布在东京周边城市的燕麦片
上点缀
了黏液 。 结果，煤泥变成了类似于高效城市轨道交通系统的环形网络。
血管标记
有效的血液循环是大脑功能所必需的，大脑没有能量守恒的机制：必须迅速喂饱电活动神经元。 结果，大脑参与了对血流的精确调节，并增加了向有需要的区域的血液输送。 苏黎世大学的神经科学家
Bruno Weber说：“这种精确的血流调节非常局部，比毫米尺寸要小得多。”
十多年前，加利福尼亚大学圣地亚哥分校的物理学家和神经科学家
Daffyd Kleinfield及其同事发现，他们能够追踪啮齿动物大脑各个毛细血管中的血液循环。 他们发现血液流动有时会改变方向，这有利于形成环状血管结构。 克莱因菲尔德说：“有迹象表明，循环系统比起初我想的要有趣。”
在啮齿动物大脑皮层的血管图上，可以看到网络环。 还可以看到，血管的结构与神经解剖结构不符（黄色和橙色圆锥体）几年前，克莱因菲尔德研究小组发现，体感皮质的浅层循环系统以
随机定位的相互连接的环的形式组织起来。大脑的一部分是当动物使用胡须在空间中定向时会激活的部分。 这使血液可以从各个方向接近某个区域，从而为神经元提供了必要的营养。 克莱因菲尔德说：“如果将环路随机连接成二维晶格，则血液可以径向靠近电活动区域。”
2010年，研究人员在大鼠和小鼠（大脑皮层的外层）中
划出了覆盖
新皮层表面
的血管网络 。 “我们怀疑它形成了网状网络，因此我们填充了循环系统并标记了表面，” Kleinfield说。 “大多数船只都形成了环形结构。” 科学家怀疑该网络具有一定程度的冗余，但是Kleinfield团队达到了新的细节水平。 Kleinfield说：“我们是第一个标记整件事并接近拓扑结构-用数字描述网络并使用它来计算流量的公司。”
恒河三角洲形成复杂的循环网络研究人员使用该连接卡模拟了网络中一艘船被阻塞的情况。 在模型和真实大脑中，将血管阻塞在二维网格中都没有特别的效果。 血液只是流过其他血管。 这一发现得到了临床实践的支持：中风永远不会在大脑表面发生。 “我们认为这是因为它能那样工作，”克莱因菲尔德说。
然后，克莱菲尔德（Kleinfield）和他的同事走进了大脑深处，研究了为躯体感觉皮层神经元供养的血管网络。 在
发表在《自然神经科学》杂志上的
一篇论文中，研究人员表明毛细血管形成了一个连续的网络。 克莱因菲尔德说：“这意味着微血管，毛细血管是相互连接的。” “如果您使用房地产做类比的话，没有站点是孤立的船只，也就是封闭的平房村。”
研究人员使用一种称为“图论”的统计机制方法来找出为什么血管形成网络，其中每个顶点恰好有三个边缘会聚-这是以前在实验室中观察到的（容器起着边缘的作用）。 克莱因菲尔德的同事，加州大学圣地亚哥分校的物理学家哈里·苏尔（Harry Suhl）表示，这种方案特别强大。 Kleinfield说：“尤其是与顶部边缘数量不固定的图形（如Internet上的图形）相比，”。
与表面网络的情况一样，阻塞毛细管中的血流实际上不会影响网络的运行-血液只是以不同的方式流动。 但是，从皮质表面到大脑的穿透血管的阻塞会导致严重后果。 血流被阻塞，周围的脑组织死亡。 穿透血管被阻塞，因为它们没有形成回路，但是克莱因菲尔德怀疑这种结构提供了通过大脑某些途径重新分配血液的有效方法。
在海洋动物中也发现了环状网络，例如在这种高古龙珊瑚中这在临床上的含义尚不清楚。 神经科学家没有报告由于穿透血管阻塞而引起的中风，但这仅是因为血管太小而无法使用常规成像设备进行检查，而且仅凭它们就不可能引起症状。 但是，乌得勒支大学医学中心的神经科学家
Geert Jan Biessels表示，尽管没有获得许可，但新的，功能更强大的脑成像技术可以检测非常小的病变，以观察单个的穿透血管。 他补充说，尸检数据表明，这种微中风“可能是死亡前几年认知能力下降和痴呆的重要标志”。
大脑循环
拥有标记大脑血液循环系统的新工具后，Kleinfield小组计划研究具有某些突变的啮齿动物或其他物种的啮齿动物大脑的循环系统如何不同。 克莱因菲尔德说：“现在，我们可以开始研究各种循环系统，并确定为什么要改变现状。”
一项对没有蛋白质
的老鼠进行
初步研究，该老鼠负责氧气的识别，揭示了根本上改变的结构：与普通动物不同，突变小鼠在大脑表面没有二维血管网络。 “只有三维结构，”克莱因菲尔德说。 “这就像
鲁布·戈德堡的机器 ，由小管组成。”
韦伯（Weber）和克莱因菲尔德（Kleinfield）正在共同研究一个标记小鼠大脑中整个循环系统的项目，该项目由欧洲项目“
人脑计划 ” [
Human Brain Project ]
资助 。 韦伯说，该地图将允许建立更准确的模型，并为实现构建完整的脑图的目标提供基础。 由于它们与循环系统的关系较弱，它还使研究人员能够发现大脑的某些部位是否容易中风（例如，
纹状体 ，它正计划运动活动）。
研究人员也开始研究人体其他部位的循环系统。 马萨诸塞州总医院的生物学家兰斯·芒恩（Lance Munn）说，大多数组织以loop的形式表现出明显的冗余。 他说：“例如，在皮肤中，这些环在发生损害的情况下为血液提供了替代途径-血液可以“绕过”该区域，到达位于受损血管“下游”的组织，”他说。 芒斯研究了肿瘤的血管特性，并在其中发展出了一种向癌组织供血的发达的血管网络。 流行的一类药物
血管生成抑制剂可阻止肿瘤的生长，干扰新血管的形成。
Kleinfield使用开发用于研究血液回路的工具来研究
脑干中
的神经网络，例如控制小鼠胡须运动并获取信息的感觉运动回路。 克莱因菲尔德说，尽管“循环系统本身很有趣”，但它们也可以作为“研究神经系统的热身”。