Мозг и Вселенная: как астрофизик и нейрохирург объединились, чтобы сравнить две самые сложные системы в природе

Астрофизик из Болонского университета и нейрохирург из Веронского университета сравнили нейронные связи в человеческом мозгу с космической сетью галактик… и обнаружилось удивительное сходство.

Вселенная, в которой мы живем, безумно сложна, потрясающе красива и полна тайн. То же мы можем сказать и о том, что делает нас теми, кто мы есть — о мозге Homo sapiens. И, возможно, то, что у этих двух поистине фантастических и сложных структур намного больше общего, чем нам раньше казалось, вовсе не совпадение. Исследовать общие свойства двух самых непростых систем в природе взялись астрофизик Франко Вацца и нейрохирург Альберто Фелетти из Италии. Они решили сравнить нейронную сеть в мозге человека и сеть космических галактик. Используя количественный подход, они обратили внимание на структуру, морфологию и сетевые характеристики этих потрясающих систем.

В человеческом мозге происходит множество процессов и взаимодействий на самых разных уровнях. Это сложная система, которую можно представить в виде иерархической сети, где нейроны соединяются в цепочки, группируются, создают узлы для взаимодействия друг c другом, формируя связи между функциональными областями. Подобная структура позволяет выполнять множество пространственно-временных задач, составляя физико-биологическую основу нашего существования.

Ученые обнаружили, что при очевидной разности двух систем, устройство их на удивление схоже. Так и родилась гипотеза о том, что, опираясь на одни и те же законы физики, материя способна организовываться одинаково в абсолютно разных по сути системах, образовывая структуры, равные по уровню сложности.

Наш мозг — это 86 миллиардов нейронов, взаимодействующих друг с другом в режиме нон-стоп, не без помощи которых, мы можем наблюдать около 100 миллиардов галактик в видимой части Вселенной.

Мы видим, что обе системы формируют сложную сеть, соединяясь через узлы. Это сходство можно увидеть, сравнивая их изображения(ниже). Галактики и нейроны, выстраивая длинные связи и узлы, составляют приблизительно 30 процентов массы своих систем, и 70 процентов приходится на составляющую, которая, на первый взгляд, не так важна, например, темная энергия во Вселенной или вода и глия в мозге.

Методом, использующимся космологами для исследования распределения галактик в пространстве, итальянские ученые вычислили спектральную плотность обеих интересующих их систем. Тщательно изучив полученные результаты, они увидели распределение колебаний внутри нейронной сети мозжечка по шкале от одного микрометра до 0,1 миллиметра. В другом совершенно масштабе, но абсолютно таким же образом распределяется материя в космическом пространстве– от пяти миллионов до 500 миллионов световых лет. Изучая взаимосвязи паутины галактик и нейронов, они увидели, что зачастую между системами больше сходства, чем между компонентами самих сетей.

По словам ученых, данные, полученные ими, согласуются на совершенно удивительном уровне. Возможно, что связи в этих двух сетях устанавливались, базируясь на одних и тех же физических принципах, невзирая на то, что физические силы, контролирующие галактики и нейроны, очевидно не одни и те же(см. Эмерджентность). По словам ученых, методика, использованная ими, могла бы найти применение и в космологии, и в нейрохирургии, что помогло бы лучше понять, какие движущие силы лежат в основе эволюции мозга и Вселенной.

Читайте также: Астрономы используют модель слизи, чтобы выявить темные нити космической паутины

DOI: 10.3389/fphy.2020.525731 | Мы на платформах: