Obserwowalny Wszechświat składa się z przynajmniej 300 miliardów galaktyk. Ludzki mózg, który umożliwia te i inne obserwacje, działa dzięki sieci złożonej z około 69 miliardów neuronów, nieustannie przesyłających sygnały elektrochemiczne wzdłuż swych aksonów. Zarówno Wszechświat, jak i ludzki mózg stanowią kluczowe wyzwanie dla współczesnej nauki. Rozmiary tych dwóch sieci różnią się o ponad 27 rzędów wielkości. Pomimo to Franco Vazza – astrofizyk z Uniwersytetu Bolońskiego i Alberto Feletti – neurochirurg z Uniwersytetu w Weronie postanowili porównać strukturalne i morfologiczne właściwości tych dwóch fascynujących systemów. Wyniki ich analizy, plasującej się na pograniczu kosmologii i neuronauki, zostały opublikowane w czasopiśmie “Frontiers of Physics”. Czy to możliwe, by tak pozornie odległe od siebie procesy fizyczne mogły stworzyć struktury charakteryzujące się podobnym poziomem złożoności i samoorganizacji?

Naukowcy najpierw zestawili właściwości fizyczne wspólne dla tych systemów. Okazało się, że mają one wiele wspólnego. Materia galaktyk to zaledwie 30% masy Wszechświata. Taką samą cześć masy mózgu stanowią neurony. Pozostałe 70% to składniki przypuszczalnie pasywne: ciemna materia (w przypadku kosmosu) oraz woda (w ośrodkowym układzie nerwowym). Co więcej, fizyczne aspekty obu systemów mają zaskakująco podobną strukturę – układają się w długie włókna, na których skrzyżowaniach tworzą się “węzły”. Następnie badacze porównali symulacje komputerowe sieci galaktyk i sieci neuronalnej kory nowej mózgu człowieka. Chcieli sprawdzić jak zachowuje się materia w tych dwóch systemach o tak różnych rozmiarach. Ta analiza ujawniła kolejne podobieństwo – otóż rozkład gęstości materii w sieci neuronowej móżdżku może być opisany za pomocą tej samej funkcji, co rozkład gęstości materii w symulowanym Wszechświecie.

W ostatnim etapie tego śmiałego przedsięwzięcia naukowcy porównali parametry ilościowe obu sieci: poziom łączności i współczynnik skupisk. Poziom łączności charakteryzuje gęstość połączeń w określonym obszarze, a współczynnik skupisk – tendencję do ich grupowania się nieopodal centralnego węzła sieci. Ponownie zaobserwowane podobieństwa były uderzające – korelacja pomiędzy siecią kosmiczną i neuronalną istotnie przewyższała wartość losową.

“Obliczyliśmy gęstość widmową obu systemów, korzystając z metodologii używanej w kosmologii do porównania rozmieszczenia galaktyk w przestrzeni. Wyniki wskazały, iż rozkład fluktuacji w sieci neuronowej móżdżku w skali od 1 mikrometra do 0.1 milimetra podąża za tym samym postępem dystrybucji materii w kosmicznej sieci. Oczywiście w przypadku Wszechświata proces ten przebiega w większej skali, która sięga od 5 mln do 500 milionów lat świetlnych” – wyjaśnia Franco Vazza.

“Parametry obu sieci okazały się zaskakująco podobne. Prawdopodobnie struktura połączeń w tych systemach ewoluuje zgodnie z tymi samymi prawami fizyki” – dodaje Alberto Feletti.

Podsumowując, ilościowa analiza porównawcza sieci galaktycznej i neuronalnej ujawniła istotne podobieństwa w ich budowie oraz układzie połączeń. Pomimo kosmicznej różnicy rozmiaru i dynamiki procesów tych systemów, ich organizacja jest prawdopodobnie kształtowana przez te same prawa fizyczne. Wyniki tego badania pilotażowego sugerują, że nowe i skuteczne techniki analizy w obu dziedzinach – kosmologii i neuronauki – pozwolą na lepsze zrozumienie procesów, które leżą u podstaw ewolucji zarówno Wszechświata, jak i mózgu.

Bibliografia:
Vazza F. i Feletti A., The Quantitative Comparison Between the Neuronal Network and the Cosmic Web. Front. Phys, 2020.

Dodaj komentarz