Мишель Старр. Исследование показывает странное структурное сходство между человеческим мозгом и Вселенной 

Одна из удивительных особенностей Вселенной заключается в том, что сходные формы и узоры могут быть найдены в совершенно разных местах: золотая спираль может быть видна в улитке человека и форме спиральной галактики; фрактальная геометрия вен отражается в ветвлении молнии.

В  новом экспериментальном исследовании астрофизик и нейрохирург подняли это на ступеньку выше, используя количественный анализ для сравнения двух самых сложных систем в природе: нейронной сети в человеческом мозге и космической сети галактик во Вселенной.

На самом деле это не такое уж странное сравнение. Возможно, вы видели изображение, которое иногда делится на два, показывая человеческий нейрон и смоделированное скопление галактик, бок о бок; они выглядят поразительно похожими.

(Марк Миллер / Консорциум Virgo / Визуальная Сложность)

Но человеческий мозг – и Вселенная – это гораздо больше, чем то, как он выглядит.

Поэтому астрофизик Франко Вацца из Болонского университета в Италии и нейрохирург Альберто Фелетти из Веронского университета в Италии потратили последние несколько лет на исследование, чтобы определить, является ли это сходство более чем просто поверхностным.

Написав в 2017 году в ежеквартальный журнал Наутилус  они объяснили:

“Галактики могут группироваться в огромные структуры (называемые кластерами, сверхскоплениями и нитями), которые простираются на сотни миллионов световых лет. Граница между этими структурами и соседними участками пустого пространства, называемыми космическими пустотами, может быть чрезвычайно сложной.

Гравитация разгоняет материю на этих границах до скоростей в тысячи километров в секунду, создавая ударные волны и турбулентность в межгалактических газах.

Мы предсказали, что граница между пустотой и нитью является одним из самых сложных объемов вселенной, если судить по количеству бит информации, необходимой для ее описания. Это заставило нас задуматься: а не сложнее ли он, чем мозг?”

Эти два типа структур различаются по размеру на 27 порядков (это миллиард миллиардов миллиардов). Но результаты команды предполагают, что, хотя физические процессы, которые управляют структурой Вселенной и структурой человеческого мозга, чрезвычайно различны, они могут привести к одинаковым уровням сложности и самоорганизации, сказали исследователи.

Отправной точкой было выяснение сходства между ними. Человеческий мозжечок содержит около 69 миллиардов нейронов; наблюдаемая космическая сеть содержит более 100 миллиардов галактик. Это один из них.

Обе системы организованы в четко определенные сети, узлы которых (нейроны в мозгу, галактики во Вселенной) соединены нитями.

И нейроны, и галактики имеют типичный масштабный радиус, который составляет лишь часть длины нитей. А поток информации и энергии между узлами составляет лишь около 25 процентов от массы и энергоемкости каждой системы.

Кроме того, существует сходство между составом мозга и составом Вселенной. Мозг на 77 процентов состоит из воды. Вселенная на 72 процента состоит из темной энергии.

Оба они, по-видимому, являются пассивными материалами, которые пронизывают  соответствующую систему и играют лишь косвенную роль в её внутренних структурах.

Определив эти сходства, команда затем провела количественное сравнение этих двух объектов на основе изображений. Они получили срезы мозжечка и коры головного мозга человека при различных увеличениях и сравнили их с моделями космической паутины.

То, что они искали, было сходством в колебаниях плотности материи между мозгом и космической сетью. И они обнаружили, что относительное распределение флуктуаций в этих двух системах было удивительно сходным – хотя и в очень разных масштабах.

Кусочек мозжечка при 40-кратном увеличении (слева) и имитация космической паутины со стороной 300 световых лет (справа). (Болонский университет)

– Мы рассчитали спектральную плотность обеих систем. Этот метод часто используется в космологии для изучения пространственного распределения галактик”, – сказал Вацца .

“Наш анализ показал, что распределение флуктуаций внутри нейрональной сети мозжечка в масштабе от 1 микрометра до 0,1 миллиметра следует той же прогрессии распределения материи в космической паутине, но, конечно, в большем масштабе, который идет от 5 миллионов до 500 миллионов световых лет.”

Но это было еще не все.

Команда изучила другие морфологические особенности, такие как количество нитей, соединенных с каждым узлом. Космическая сеть, основанная на выборке из 3800-4 700 узлов, имела в среднем 3,8-4,1 соединения на узел. Человеческая кора головного мозга, для выборки из 1800-2000 узлов, имела в среднем 4,6-5,4 соединения на узел.

Кроме того, обе системы демонстрировали тенденцию к кластеризации соединений вокруг центральных узлов. И оба, по-видимому, обладают одинаковым информационным потенциалом.

Недавнее исследование показало, что память человеческого мозга составляет около 2,5 петабайт. Другое недавнее исследование, проведенное Ваццей, предполагает, что объем памяти, необходимый для хранения структуры Вселенной, составляет около 4,3 петабайта.

“Грубо говоря, – писали исследователи в 2017 году, – это сходство в емкости памяти означает, что весь объем информации, хранящейся в человеческом мозге (например, весь жизненный опыт человека), также может быть закодирован в распределение галактик в нашей Вселенной.”

Это не значит, что Вселенная является мозгом или способна к восприятию. Но это намекает на то, что законы, управляющие ростом структур обоих, могут быть одинаковыми.

Согласно статье 2012 года , основанной на моделировании, причинная сеть, представляющая крупномасштабную структуру пространства-времени в нашей ускоряющейся Вселенной, представляет собой степенной график, удивительно похожий на человеческий мозг.

Исследования Ваццы и Фелетти, подобные этому, могли бы проложить путь к лучшему пониманию этих законов.

“В очередной раз структурные параметры выявили неожиданные уровни согласования. Вероятно, связь внутри этих двух сетей развивается по сходным физическим принципам, несмотря на поразительную и очевидную разницу между физическими силами, регулирующими галактики и нейроны”, – сказал Фелетти .

– Эти две сложные сети имеют больше сходства, чем те, что существуют между космической сетью и Галактикой или нейронной сетью и внутренней частью нейронного тела.”

Исследование было опубликовано в журнале Frontiers in Physics.

Источник

Подпишитесь на наш телеграм-канал https://t.me/history_eco

Публикация на Тelegra.ph

• Ключевые слова: вселен,мозг,сходств,структур