Астрофизик из Болонского университета и нейрохирург из Веронского университета сравнили сеть нервных клеток в человеческом мозге с космической сетью галактик… и обнаружили удивительное сходство
В своей статье, опубликованной в журнале Frontiers in Physics, Франко Вацца (астрофизик из Болонского университета) и Альберто Фелетти (нейрохирург из Веронского университета) исследовали сходство между двумя из самых сложно устроенных и трудных для изучения систем в природе: космической сетью галактик и сетью нервных клеток в человеческом мозге.
Несмотря на значительную разницу в масштабах между двумя сетями (более чем 27 порядков), их количественный анализ, который находится на пересечении космологии и нейрохирургии, предсказывает, что различные физические процессы могут строить структуры, характеризующиеся похожими уровнями сложности и самоорганизации.
Человеческий мозг работает благодаря своей широкой сети нейронов, которая содержит приблизительно 69 миллиардов клеток. С другой стороны, наблюдаемая Вселенная состоит из космической паутины, включающей по меньшей мере 100 миллиардов галактик. Внутри каждой системы только 30% массы состоит из галактик или нейронов соответственно. Также в каждой системе галактики и нейроны выстраиваются в длинные филаменты или узлы между этими филаментами. И наконец, в каждой из систем 70% массы или энергии состоит из компонентов, имеющих, судя по всему, пассивную роль: воды в мозге или тёмной энергии в наблюдаемой Вселенной.
Начав с общих черт двух систем, исследователи сравнили симуляцию сети галактик со срезами коры больших полушарий и мозжечка. Целью было определить, как флуктуации материи распределяются по таким разным масштабам.
«Мы вычислили спектральную плотность обеих систем. Эта техника часто используется в космологии для изучения пространственного распределения галактик, — объясняет Франко Вацца. — Наш анализ показал, что распределение флуктуаций в нейросети мозжечка в масштабе от 1 микрометра до 0,1 миллиметра следует той же прогрессии распределения материи, что и в космической паутине, но, конечно, на большем масштабе: от 5 до 500 миллионов световых лет».
Два исследователя также вычислили некоторые параметры, характеризующие нейросеть и космическую паутину: среднее число соединений в каждом узле и склонность к кластеризации нескольких соединений в соответствующих центральных узлах внутри сети.
«И снова структурные параметры показали неожиданные уровни соответствия. Возможно, связность внутри каждой сети развивается следуя схожим физическим принципам, несмотря на разительные и очевидные различия между силами, контролирующими галактики и нейроны, — добавляет Альберто Фелетти. — Эти две сложные сети показывают больше сходства, чем есть схожих черт у космической паутины и галактики или у нейросети и тела нейрона».
Вдохновляющие результаты этого пилотного исследования приводят учёных к мыслям о том, что новые и эффективные техники анализа в обеих областях: космологии и нейрохирургии, — позволят лучше понимать направленную динамику развития этих двух систем во времени.
_____
От редакции. В статье речь идёт о чисто математических моделях описания структур и их развития. В науке бывает такое, что разные процессы описываются похожими уравнениями. Есть, например, даже отдельная межпредметная дисциплина — уравнения математической физики, — которая изучает такие уравнения. Пожалуйста, не воспринимайте это как прямую аналогию, это не означает, что мозг — это целая Вселенная, или что наша Вселенная — чей-то мозг.
____
Перевод Антон Меньшенин, редактор Елена Королёва.
