космос и человеческий мозг
Исследование: Человеческий мозг является «копией» Вселенной
Совместное исследование ученых Болонского и Веронского университетов (Италия) доказало, что человеческий мозг по своему строению и взаимодействию в нем нейронов поразительно похож на Вселенную.
Исследование опубликовано в журнале Frontiers in Physics, а коротко о нем рассказывается на сайте Болонского университета. Оно было проведено совместными усилиями астрофизика Франко Вацца и нейрохирурга Альберто Фелетти. Специалисты сравнили две самые сложные системы в природе: космическую сеть из множества галактик и сеть нейронных клеток в человеческом мозге.
Количественный анализ был проведен, несмотря на огромную разницу в масштабе между двумя этими сетями, которая превышает 27 порядков. По сути, исследование было проведено на пересечении космологии и нейрохирургии. Оно предполагает, что различные физические процессы могут создавать структуры, характеризующиеся одинаковыми уровнями сложности и самоорганизации.
Исследователи отмечают, что человеческий мозг функционирует благодаря своей широкой нейронной сети. Считается, что она состоит примерно из 69 миллиардов нейронов. В то же время о Вселенной известно, что она представляет собой космическую сеть, которая состоит как минимум из 100 миллиардов галактик.
Именно эти общие черты и легли в основу анализа. Ученых интересовало, до какой степени человеческий мозг и Вселенная могут быть похожи друг на друга? Для поиска ответа на этот вопрос они смоделировали сеть галактик и сеть нейронов коры головного мозга, а затем наложили их друг на друга. Цель заключалась в том, чтобы увидеть, как флуктуации (колебания) вещества распространяются в столь разных масштабах.
Также авторы работы рассчитали некоторые параметры, которые характеризуют как нейронную сеть мозга, так и космическую сеть. В частности, они изучили среднее количество соединений в каждом узле и тенденцию их объединения в кластеры внутри каждой сети.
Похожа ли Вселенная на мозг?
Если внимательно посмотреть на космическую паутину – структуру Вселенной, которая состоит из массивных нитей галактик, разделенных между собой гигантскими пустотами – и сеть нейронов в мозге человека, можно заметить некоторое сходство. Но насколько вообще корректно подобное сравнение? Как оказалось, описание человеческого мозга как трехфунтовой Вселенной, возможно, намного ближе к истине, чем может показаться. Человеческий мозг, при весе примерно в три фунта (около 1300 кг) содержит около 100 миллиардов нейронов, а количество связей в нем больше, чем количество галактик во Вселенной. Мозг – это командный центр всего, что мы думаем, чувствуем и делаем. И когда астрофизик Франко Вацца и нейробиолог Альберто Фелетти сравнили эти две структуры численно, сходство стало еще более поразительным. Пожалуй, не удивительно, что оно наводит на самые разные мысли, вплоть до предположения о том, что мы живем в симуляции.
Слева: увеличенный участок мозжечка головного мозга, полученный с помощью электронной микроскопии; справа: участок космологического моделирования с расширением 300 миллионов световых лет с каждой стороны.
Самый сложный орган тела человека
Человеческий мозг – самый сложный объект во Вселенной. Он отвечает за все, что вы делаете, думаете, чувствуете и говорите. Иными словами мозг делает вас тем, кто вы есть, и позволяет заниматься своей повседневной деятельностью.
Мозг среднестатистического взрослого человека содержит около 100 миллиардов клеток – нейронов. Каждая из них связана примерно с 1000 другими, а это 100 триллионов соединений. Так что если вы поставите себе цель сосчитать каждую клетку в мозге одного человека, вам потребуется более 3000 лет.
Примечательно и то, что каждая отдельная часть мозга играет свою собственную роль, позволяя нам думать, хранить воспоминания, двигать руками и ногами, чувствовать запахи, видеть и слышать звуки окружающего мира, а также поддерживать функции многих органов в теле. По меньшей мере 100 триллионов нейронных связей группируются в иерархическую сеть узлов, нитей и взаимосвязанных нейронных кластеров, которые и формируют наши сложные мысли, чувства и эмоции. Но эти нейроны составляют менее 25% массы мозга, а оставшиеся 75% – вода.
Мозг и правда похож на Веленную. Или нам только кажется?
По странному совпадению, наблюдаемая Вселенная также содержит около 100 миллиардов галактик. Шаткое равновесие между притяжением гравитации и ускоренным расширением Вселенной образует космическую паутину, которая состоит из обычной и темной материи. Именно по этой причине некоторые ученые считают, что существует 50% шанс, что мы живем в симуляции. Подробнее читайте в нашем материале.
Примечательно, что скопления галактик образуются на пересечениях галактических нитей, оставляя между собой промежутки пустого пространства. Как это ни странно, но недавно ученые подсчитали, что только около 25% материи во Вселенной является видимой. Остальные 75% составляет таинственная темная материя.
Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира популярной науки и высоких технологий? Подпишитесь на наш новостной канал в Google News, чтобы не пропустить ничего интересного.
Таинственная темная материя
В исследовании, которое опубликовано в научном журнале Frontiers in Physics, астрофизик Франко Вацца и нейробиолог Альберто Фелетти пишут о том, что «хотя соответствующие физические взаимодействия в вышеупомянутых двух системах принципиально отличаются друг от друга, полученные с помощью микроскопов и космических телескопов изображения удивительно похожи».
Слева на снимке – нейронные связи, справа – космическая паутина
В ходе работы исследователи внимательно изучили полученные изображения космической паутины и нейронных связей в мозге человека. Чтобы рассмотреть как можно больше деталей (а заодно выявить сходство), астрофизик из Болонского университета Франко Вацца и нейрохирург из Веронского университета Альберто Фелетти прибегли к методу под названием «анализ спектра мощности», который позволил им измерить силу крошечных флуктуаций во всем диапазоне пространственных масштабов – как моделирования галактик, так и участков мозжечка и коры головного мозга. Отметим, что «анализ спектра мощности» традиционно применяется в астрофизике и космологии для изучения крупномасштабного распределения галактик во Вселенной.
Исходя из общих черт космической паутины и нейронных связей, ученые составили сравнительную модель флуктуации вещества в обеих системах и изучили их структурные, морфологические и сетевые свойства. Как отмечают Вацца и Фелетти в пресс-релизе исследования, схожести в структуре Вселенной и нейронных связей в мозге также проявились в среднем количестве соединений в каждом узле и тенденции к кластеризации.
Наш анализ показал, что распределение колебаний в нейронной сети мозжечка в масштабе от одного микрометра до 0,1 миллиметра следует той же прогрессии, что и распределение материи в космической паутине, но, конечно, в более крупном масштабе — от 5 до 500 миллионов световых лет.
Почему нейронные связи и галактические нити похожи?
Возможно, уважаемый читатель захочет возразить: «если ученые сравнивают между собой такие сложные структуры как мозг и Вселенную, то почему бы не сравнить и другие, относительно похожие объекты?» По-видимому, исследователи учли подобные вопросы, а потому сравнили спектры мощности и других сложных систем, включая изображения ветвей деревьев, облаков и воды, но ни одно из них не приблизилось к соответствию нейронного и вселенского дуэта.
И все же, необходимо отметить, что спектры мощности не дают никаких намеков на сложность той или иной системы. Так что в ходе исследования ученые внимательно изучили сети обеих систем, сравнивая среднее число соединений на узел и то, как эти узлы группируются вместе.
Необходимо отметить, что сходства между космической паутиной и нейронной сетью возникают только тогда, когда исследователи сравнивают конкретный масштаб каждой системы.
«В очередной раз структурные параметры выявили неожиданные уровни согласования. Вероятно, связь внутри этих двух систем развивается по сходным физическим принципам, несмотря на поразительную и очевидную разницу между физическими силами, регулирующими галактики и нейроны», — слова Вранческо Фелетти из Веронского университета в Италии приводит английская The Independent.
Согласитесь, весьма впечатляет, что у космической паутины в наблюдаемой Вселенной больше общего с сетью нейронов в вашем мозге, чем с отдельными галактиками и звездами. А сложная сеть нейронов в мозге Homo Sapiens составляет лучшую пару с космической паутиной, чем отдельные клетки мозга между собой. А как вы думаете, почему нейронные связи и космическая паутина похожи? Ответ будем ждать здесь, а также в комментариях к этой статье.
Нейроны в мозге человека и сеть галактик оказались похожи
Астрофизик из Болонского университета и нейрохирург из Веронского университета сравнили сеть нейронных клеток в человеческом мозге с космической сетью галактик и обнаружили удивительные сходства между ними. Результаты исследования публикует журнал Frontiers in Physics.
Читайте «Хайтек» в
Франко Вазза, астрофизик в Университете Болоньи и Альберто Фелетти, нейрохирург из Университета Вероны изучили сходство между двумя самыми сложными системами в природе: космической сетью из галактик и сетью нейронов в человеческом мозге.
Несмотря на существенную разницу в масштабе между двумя сетями, их анализ показал, что различные физические процессы в них могут создавать структуры. Причем они характеризуются одинаковыми уровнями сложности и самообслуживания.
Человеческий мозг функционирует благодаря своей широкой нейронной сети, которая, как считается, содержит около 69 млрд нейронов. С другой стороны, наблюдаемая Вселенная состоит из космической сети, состоящей как минимум из 100 млрд галактик. В обеих системах только 30% их массы составляют галактики и нейроны, которые (опять же, в обеих системах) образуют длинные волокна или узлы между ними. Наконец, в обеих системах 70% распределения массы или энергии состоит из компонентов, играющих явно пассивную роль. Речь идет о воде в мозге и темной энергии в наблюдаемой Вселенной.
Исходя из общих черт двух систем, исследователи сравнили моделирование сети галактик с участками коры головного мозга и мозжечка. Цель — изучить флуктуации вещества в столь разных масштабах.
«Мы рассчитали спектральную плотность обеих систем, — объясняет Франко Вацца. — Наш анализ показал, что распределение колебаний в нейронной сети мозжечка в масштабе от 1 мкрм до 0,1 мм следует той же прогрессии распределения материи в космической паутине. Конечно, в более крупном масштабе, от 5 млн до 500 млн световых лет».
Два исследователя также рассчитали некоторые параметры, характеризующие как нейронную сеть, так и космическую паутину: среднее количество соединений в каждом узле и тенденцию кластеризации нескольких соединений в соответствующих центральных узлах внутри сети. И снова структурные параметры выявили неожиданные уровни согласования. Вероятно, взаимосвязь внутри двух сетей развивается в соответствии с аналогичными физическими принципами, несмотря на поразительную и очевидную разницу между физическими силами, регулирующими галактики и нейроны, заключают ученые.
На одной из этих картинок изображена часть мозга, на другой – часть Вселенной; догадаетесь, что где?
Наука не враг духовности, напротив: научное знание — глубочайший источник духовного. Когда мы осознаем свое место в бесконечности световых лет и сменяющих друг друга эпох, когда постигаем красоту, тонкость и сложность жизни, нас охватывает восторг, в котором гордость сочетается со смирением — это ли не парение духа!
— Карл Саган, «Мир, полный демонов: Наука — как свеча во тьме»
Во время изучения Вселенной я ощущал подобные духовные моменты, описанные Саганом – когда укреплялось моё понимание связей с обширным миром. Как, к примеру, в тот раз, когда я впервые узнал, что буквально состою из пепла звёзд – что атомы моего тела распространились по бесконечному эфиру благодаря сверхновым. В другой раз я ощутил это возвышенное чувство, впервые увидев это изображение:
А) Нейрон из гиппокампа мыши с синапсами. Зелёная клетка в центре имеет размер 10 мкм.
В) Космическая сеть. Длина приведённого для масштаба отрезка – 31,25 Мпк/h, или 1,4 × 10 24 м.
Нейрон в мозге сопоставим со скоплениями галактик и соединяющими их нитями из обычной и тёмной материи. Их схожесть видна сразу. Что это означает? У вас в голове может существовать целая вселенная. Но схожесть изображений может оказаться и примером апофении – восприятия схожести там, где её нет. Ведь как две этих системы могут быть похожими, учитывая огромную разницу в их масштабах? Но что, если кроме внешней схожести между сетями нейронов мозга и паутиной галактик космоса можно получить объективное измерение, оценивающее их похожесть? Именно этим решили заняться Франко Вацца (астрофизик из Болонского университета) и Альберто Фелетти (нейрохирург из Веронского университета), скомбинировав свои научные дисциплины для публикации в журнале Frontiers of Physics.
Межгалактическая связь
Мозг человека – буквально одна из сложнейших структур Вселенной, которая сама по себе является сложнейшей структурой. В вашем мозге содержится порядка 80 млрд нейронов – клеток, обрабатывающих входящие с органов чувств сигналы, и отправляющих сигналы вашему телу по нервной системе. Нейроны также связаны в сеть, и обмениваются информацией по аксонам и дендритам. В типичной сети, формирующей личность, подобную вашей, содержится порядка 100 трлн связей.
Говорят, что NGC 6888, туманность Полумесяца, напоминает гигантский мозг, находящийся в космосе
Вселенная тоже связана в сеть. Нам кажется, что космос – это набор объектов, разделённых огромными участками пространства, но это не совсем так. Видимая нами через научные приборы часть Вселенной называется «обозримой Вселенной», и составляет 90 млрд световых лет в диаметре. В ней содержатся от сотен миллиардов до нескольких триллионов галактик. Эти галактики, как и наш Млечный путь, состоят из миллиардов звёзд, и в свою очередь группируются в галактические скопления. Наш Млечный путь – часть «местной группы» галактик, в которую также входят Андромеда, галактика Треугольника и ещё 50 других галактик. Все они входят в более крупную группу, сверхскопление Девы. Пространство между группами и скоплениями не пустое – оно содержит нити из обычной и тёмной материи, тянущиеся на миллионы световых лет. В этом смысле Вселенная – это гигантская сеть галактических скоплений, связанных между собой примерно так же, как нейронные сети мозга. Эту сеть и называют космической сетью.
Симуляция формирования космической сети от начала времён до сегодняшнего дня
Вселенная внутри Вселенной
Поиски количественно оцениваемого родства между обеими этими сетями были порождены партнёрством нейробиологии и астрофизики. Используя технологии и инструменты из обеих дисциплин, Вацца и Фелетти изучали обе сети в поисках схожих черт, которые можно было бы не только увидеть, но и оценить количественно. Сравнимы ли эти сети, и если да – что это означает?
Исследователи использовали срезы коры головного мозга человека толщиной в 4 мкм. Это верхний слой мозга, отвечающий за обработку языка, информации от органов чувств, мыслей, памяти и сознания. Их сравнивали со «срезами» Вселенной толщиной в 25 мегапарсек (1 парсек равен порядка 3,26 световых лет). Срезы были получены из компьютерной симуляции участка космоса объёмом в миллион кубических мегапарсек. В итоге сравнивались участки мозга и космоса, размеры которых отличались на 27 порядков.
Выборки космической сети и мозга с увеличением в 4, 10 и 40 раз
Слева: срез мозжечка, увеличенный в 40 раз. Фото сделано электронным микроскопом. Справа: часть симуляции космоса линейным размером в 300 млн световых лет.
При изучении срезов их похожесть была очевидной не на всех масштабах. Однако при увеличении тканей мозга в 40 раз исследователи начали замечать сходные структуры. Это увеличение даёт расстояния в 0,01 – 1,6 мм в ткани мозга и в 1-100 Мпк во Вселенной. На таких масштабах сеть нейронов начинает походить на скопления галактик. Более того, похожесть сетей можно измерить и сравнить объективно при помощи двух технологий. Первая – степень связности сети, измеряющая длину связей и связность заданной сети. Радиус центра нейрона, его ядра, гораздо меньше по сравнению с длиной соединяющих его с другими нитей. Второй метод объективного сравнения сетей — коэффициент кластеризации, количественно описывающий плотность структуры, непосредственно прилегающей к каждому узлу сети (нейрону или скоплению галактик), и сравнивающий эту структуру со случайной точкой в сети. Это позволяет сравнить степень организованности обеих сетей.
Вверху приведена реконструкция связей трёх примеров сетей (космическая сеть, мозжечок и кора мозга). Внизу показан график распределения коэффициентов кластеризации и степень связности сетей.
Насколько велика Вселенная
Применив эти техники на выбранном масштабе, Вацца и Фелетти обнаружили «примечательное» сходство мозга и Вселенной. Также они обнаружили, что эти сети похожи друг на друга больше, чем на другие биологические или физические структуры – например, ветви деревьев, динамика формирования облаков или турбулентность воды. Последние имеют фрактальную структуру. Фрактальные узоры самоповторяются и выглядят одинаково на разных масштабах. Вселенная же на разных масштабах выглядит совершенно по-разному. Галактики и звёздные системы вовсе не похожи на космическую сеть, которую они порождают. Мозг тоже не похож на нейронную сеть на других масштабах. Масштаб играет важную роль для самоорганизации этих структур.
Завершили описание открытия учёные «намёком на то, что в результате взаимодействия совершенно различных физических процессов могут появиться сети сходной конфигурации, несмотря на совершенно несоразмерный масштаб систем». Иначе говоря, такие сети, как мозг и Вселенная, могут обладать похожими структурами, будучи совершенно разными по размеру, и сформировавшись благодаря различным процессам (гравитация и биология). Тем не менее, возможно, что они эволюционировали и росли одинаково благодаря каким-то схожим между собой факторам.
Увеличение Мандельброта – фрактальный узор, выглядящий одинаково вне зависимости от масштаба. В отличие от него, мозг и Вселенная на разных масштабах выглядят очень по-разному
Исследователи отметили ещё две интересных параллели между мозгом и космической сетью. Первая – пропорции их составных частей. Мозг на 77% состоит из воды, а космическая сеть примерно на 73% состоит из тёмной энергии. При этом вода и тёмная энергия не являются частями сети, а лишь «пассивным материалом» или пассивной энергией. Возможно, наличие и пропорции пассивного материала и энергии имеют отношение к характерным особенностям формирования сетей. Вторая интересная параллель состоит в том, что объём данных, требуемый для хранения моделей Вселенной, сравним с теоретическим пределом объёма информации, который способен хранить мозг человека. Для симуляции эволюции наблюдаемой части Вселенной на масштабах, на которых наличие космической сети становится очевидным, требуется от 1 до 10 петабайт. Теоретический предел объёма человеческого мозга оценивается в 2,5 петабайта. Теоретически, человек мог бы хранить в своём мозге данные о структуре наблюдаемой Вселенной. Или наоборот, космическая сеть могла бы теоретически хранить данные о жизненном опыте человеческого существа.
Hubble eXtreme Deep Field — детальный снимок небольшого участка пространства, где видно порядка 5500 самых удалённых галактик из всех, что мы видели
Между космической сетью и мозгом есть не только сходства, но и различия. Срезы для изучения были взяты из коры мозга, но мозг не однороден. Разные его части имеют разную структуру, предназначенную для выполнения разных задач. При этом характерной особенностью Вселенной является её однородность по всем направлениям. Связи между нейронами мозга служат для передачи информации от органов чувств, а по связям частей Вселенной передаются только энергия и материя. Вацца и Фелетти надеются, что их исследование вдохновит на разработку более мощных алгоритмов, которые позволят найти ещё больше сходства между мозгом и Вселенной. Возможно, мы узнаем о тех условиях, что заставляют две этих сети, родившихся благодаря совершенно разным условиям, так сильно напоминать друг друга.
Все мы слышали рассказ Карла Сагана о том, что наши тела состоят из звёздной материи. Теперь мы начинаем понимать, что и схема нашего мозга напоминает россыпь звёзд. Внутри вашей головы находится целая вселенная связей, способная дотянуться изнутри вовне, до другой Вселенной, её породившей. Миллиарды нейронов тянутся к миллиардам звёзд – вот вам и духовность.
Изображения симуляции Вселенной и срезов мозговой ткани, использованные в исследовании:
cosmosimfrazza.myfreesites.net/cosmic-web-and-brain-network-datasets
Прим. пер.: идея не нова – см, например, мой перевод от 2017 года «Можно ли считать Вселенную живой?»
Исследование обнаружило странные структурные сходства между человеческим мозгом и Вселенной
В новом исследовании астрофизик и нейрохирург, использовали количественный анализ для сравнения двух самых сложных систем в природе: нейронной сети в человеческом мозгу и космической сети галактик во Вселенной.
На самом деле это не такое уж странное сравнение. Возможно, вы видели изображение, которое иногда становится популярным и показывающее человеческий нейрон и моделируемое скопление галактик; они выглядят поразительно похожими.
(Mark Miller/Virgo Consortium/Visual Complexity).
Но человеческий мозг и Вселенная — это гораздо больше, чем то, как они выглядят.
Итак, астрофизик Франко Вацца из Университета Болоньи в Италии и нейрохирург Альберто Фелетти из Университета Вероны в Италии провели последние несколько лет, пытаясь определить, является ли сходство более чем поверхностным.
Два типа структур различаются по размеру на 27 порядков (это миллиард миллиардов миллиардов). Но результаты команды показывают, что, хотя физические процессы, управляющие структурой Вселенной и структурой человеческого мозга, сильно различаются, они могут привести к аналогичным уровням сложности и самоорганизации.
Отправной точкой было выявление сходства между ними. В мозжечке человека около 69 миллиардов нейронов; наблюдаемая космическая паутина содержит более 100 миллиардов галактик.
Обе системы организованы в четко определенные сети с узлами (нейронами в мозгу, галактиками во Вселенной), соединенными нитями.
И нейроны, и галактики имеют типичный масштабный радиус, составляющий лишь часть длины волокон. А поток информации и энергии между узлами составляет всего около 25 процентов массы и энергосодержания каждой системы.
Кроме того, есть сходство между составом мозга и составом Вселенной. Мозг на 77 процентов состоит из воды. 72% Вселенной — темная энергия.
Определив эти сходства, ученые затем провели количественное сравнение этих двух изображений. Они получили срезы мозжечка и коры головного мозга человека при разном увеличении и сравнили их с симуляциями космической паутины.
Они искали сходства в колебаниях плотности материи между мозгом и космической паутиной. И обнаружили, что относительное распределение флуктуаций в двух системах было поразительно похоже, хотя и в очень разных масштабах.
«Мы рассчитали спектральную плотность обеих систем. Этот метод часто используется в космологии для изучения пространственного распределения галактик», — сказал Вазза.
«Наш анализ показал, что распределение колебаний в нейронной сети мозжечка в масштабе от 1 микрометра до 0,1 миллиметра следует той же прогрессии распределения материи в космической паутине, но, конечно, в более крупном масштабе, начиная от миллиона до 500 миллионов световых лет».
Срез мозжечка при 40-кратном увеличении (слева) и имитация космической паутины со стороной 300 световых лет (справа). (University of Bologna).
Команда изучила другие морфологические особенности, такие как количество волокон, соединенных с каждым узлом. Космическая сеть, основанная на выборке от 3800 до 4700 узлов, имела в среднем от 3,8 до 4,1 соединения на узел. Кора головного мозга человека для выборки из 1800–2000 узлов имела в среднем от 4,6 до 5,4 соединений на узел.
Кроме того, обе системы продемонстрировали тенденцию к объединению соединений в кластеры вокруг центральных узлов. И оба, похоже, обладают схожей информационной емкостью.
Недавнее исследование предполагает, что память человеческого мозга составляет около 2,5 петабайт. Другое недавнее исследование предполагает, что объем памяти, необходимый для хранения всей сложности Вселенной, составляет около 4,3 петабайта.
«Грубо говоря, — писали исследователи, — это сходство в объеме памяти означает, что весь объем информации, хранящейся в человеческом мозгу (например, весь жизненный опыт человека), также может быть закодирован в распределение галактик в нашей Вселенной «.
Это не значит, что Вселенная — это мозг или разум. Но это намекает на то, что законы, управляющие ростом структур обоих, могут быть одинаковыми.
Согласно статье 2012 года, причинная сеть, представляющая крупномасштабную структуру пространства-времени в нашей ускоряющейся Вселенной, представляет собой график степенного закона, очень похожий на человеческий мозг.
Исследование было опубликовано в Frontiers in Physics.
Источники: Фото: Illustris Collaboration