[en] Synchronization in networks is the music of complex systems. Collective rhythms emerging from many interacting oscillators appear across all scales of nature, from the steady heartbeat and the recurrent patterns in neuronal activity to the decentralized synchrony in power-grids. The mathematics behind these processes are solid and have significantly advanced lately, especially in the mean-field problem, where oscillators are all mutually connected. However, real networks have complex interactions that difficult the analytical treatment. A general framework is missing and most existing results rely on numerical and spectral black-boxes that hinder interpretation. Also, the information obtained from measurements is usually incomplete. Motivated by these limitations, in this thesis we propose a theoretical study of network-coupled oscillators under uncertainty. We apply error propagation to predict how a complex structure amplifies noise from the link weights to the synchronization onset, study the effect of balancing pair-wise and higher-order interactions in synchrony optimization, and derive weight-tuning schemes to map the synchronization behavior of different structures. Also, we develop a rigorous geometric unfolding of the synchronized state to tackle decentralized scenarios and to discover optimal local rules that induce global abrupt transitions. Last, we suggest spectral shortcuts to predict critical points using linear algebra and network representations with limited information. Overall, we provide analytical tools to deal with oscillator networks under noisy conditions and prove that mechanistic explanations were hidden behind the prevalent assumptions of complete information. Relevant finding include particular networks that maximize the range of behaviors and the successful unfolding of the structure-dynamics interplay from a local perspective. This thesis advances the quest of a general theory of network synchronization built from mechanistic and geometric principles, a key missing piece in the analysis, design and control of biological and artificial neural networks and complex engineering systems.

[es] La sincronización en redes es la música de los sistemas complejos. Los ritmos colectivos que emergen de muchos osciladores acoplados explican el latido constante del corazón, los patrones recurrentes de actividad neuronal y la sincronía descentralizada de las redes eléctricas. Los modelos matemáticos son sólidos y han avanzado significativamente, especialmente en el problema del campo medio, donde todos los osciladores están conectados entre sí. Sin embargo, las redes reales tienen interacciones complejas que dificultan el tratamiento analítico. Falta un marco general y las soluciones en cajas negras numéricas y espectrales dificultan la interpretación. Además, las mediciones empíricas suelen ser incompletas. Motivados por estas limitaciones, en esta tesis proponemos un estudio teórico de osciladores acoplados en redes bajo incertidumbre. Aplicamos propagación de errores para predecir cómo una estructura compleja amplifica el ruido desde las conexiones microscópicas hasta puntos críticos macroscópicos, estudiamos el efecto de equilibrar interacciones por pares y de orden superior en la optimización de la sincronía y derivamos esquemas de ajuste de pesos para mapear el comportamiento en estructuras distintas. Una expansión geométrica del estado sincronizado nos permite abordar escenarios descentralizados y descubrir reglas locales que inducen transiciones abruptas globales. Por último, sugerimos atajos espectrales para predecir puntos críticos usando álgebra lineal y representaciones aproximadas de red. En general, proporcionamos herramientas analíticas para manejar redes de osciladores en condiciones ruidosas y demostramos que detrás de las suposiciones predominantes de información completa se ocultaban claras explicaciones mecanicistas. Hallazgos relevantes incluyen redes particulares que maximizan el rango de comportamientos y la explicación del binomio estructura-dinámica desde una perspectiva local. Esta tesis avanza en la búsqueda de una teoría general de sincronización en redes desde principios mecánicos y geométricos, una pieza clave que falta en el análisis, diseño y control de redes neuronales biológicas y artificiales y sistemas de ingeniería complejos.