Asemănările structurale dintre creierul uman şi Univers

Într-un nou studiu pilot îndrăzneț, un astrofizician și un neurochirurg au comparat două dintre cele mai complexe sisteme din natură: rețeaua neuronală din creierul uman și rețeaua cosmică de galaxii din Univers.

Aceasta nu este o comparație ciudată.

Așa cum se poate vedea din imaginea de mai jos, există asemănări evidente între un neuron uman și un grup de galaxii.

Credit: Mark Miller/Virgo Consortium/Visual Complexity

În afara felului cum arată, mai există multe alte asemănări între creierul uman și Univers. Din acest motiv, astrofizicianul Franco Vazza de la Universitatea din Bologna și neurochirurgul Alberto Feletti de la Universitatea din Verona au studiat în ultimii ani asemănările structurale dintre acestea.

În anul 2017, cei doi cercetători italieni au scris în Nautilus Quarterly următoarele:

„Galaxiile se pot grupa în structuri enorme (numite clustere, superclustere și filamente) care se întind pe sute de milioane de ani-lumină, iar frontierele acestora pot fi extrem de complexe.

Gravitația accelerează materia în apropierea acestor frontiere până la viteze de mii de kilometri pe secundă, creând unde de șoc și turbulențe în gazele intergalactice.

Am prezis că frontiera vid cosmic-filament galactic este una dintre cele mai complexe caracteristici ale universului, fiind măsurată prin numărul de biți de informație necesari pentru a o descrie.

Acest lucru ne-a făcut să ne întrebăm dacă este mai complexă decât creierul uman”.

Universul și creierul uman diferă, ca mărime, cu 27 ordine de mărime (adică un miliard de miliarde de miliarde).

Deşi procesele fizice care guvernează structura Universului și structura creierului uman sunt extrem de diferite, rezultatele cercetătorilor sugerează că ele conduc la niveluri similare de complexitate și autoorganizare.

Punctul de plecare a fost stabilirea asemănărilor dintre cele două structuri.

Cerebelul uman are în jur de 69 de miliarde de neuroni, iar rețeaua cosmică observabilă conține peste 100 de miliarde de galaxii.

Ambele sisteme sunt structurate în rețele bine definite, cu noduri (neuronii din creier şi galaxiile din Univers) conectate prin filamente.

Atât mărimea neuronilor, cât și a galaxiilor reprezintă doar o fracțiune din lungimea filamentelor, iar fluxul de informații și energie între noduri este de numai 25% din conținutul de masă şi energie al fiecărui sistem.

În plus, există asemănări între compoziția creierului și compoziția Universului. Creierul este în jur de 77% apă, iar Universul are aproximativ 72% energie întunecată.

După definirea acestor asemănări, cercetătorii au efectuat o comparație cantitativă a celor două sisteme pe baza unor imagini ale cerebelului și cortexului uman, la diferite scări dimensionale și a unor imagini cu simulări ale rețelei cosmice de galaxii.

Ei au căutat asemănări privind variaţia densității materiei în creier și în rețeaua cosmică şi au descoperit că distribuția relativă a acestor fluctuații în cele două sisteme este uimitor de similară, deși la scări mult diferite.

O secţiune prin cerebel la o mărire de 40x (stânga) și modelul unei rețele cosmice de 300 de ani-lumină (dreapta). Credit: Universitatea din Bologna

„Am calculat densitatea spectrală a ambelor sisteme. Aceasta este o tehnică utilizată adesea în cosmologie pentru studierea distribuției spațiale a galaxiilor.

Analiza noastră a arătat că distribuția fluctuației materiei în rețeaua neuronală a cerebelului, pe o scară de la 1 micrometru la 0,1 milimetri, urmează aceeași progresie a distribuției materiei în rețeaua cosmică, dar, desigur, pe o scară mai mare care merge de la 5 milioane la 500 de milioane de ani-lumină”, a declarat Vazza.

Şi asta nu este tot.

Cercetătorii au analizat şi alte caracteristici morfologice, cum ar fi numărul de filamente conectate la fiecare nod. Rețeaua cosmică, bazată pe un eșantion de 3.800-4.700 noduri, are, în medie, 3,8-4,1 conexiuni pe nod.

Cortexul uman, pentru un eșantion de 1.800 până la 2.000 de noduri, are, în medie, 4,6 până la 5,4 conexiuni pe nod.

În plus, ambele sisteme au tendința de a grupa conexiunile în jurul nodurilor centrale. Și ambele par să aibă o capacitate similară de stocare a informaţiei.

Un studiu recent a sugerat că memoria creierului uman este de aproximativ 2,5 petabytes. Într-un alt studiu recent, realizat de Vazza, s-a sugerat că capacitatea de memorie necesară pentru a stoca complexitatea Universului este de aproximativ 4,3 petabytes.

„Aproximativ vorbind”, au scris cercetătorii în anul 2017, „această similitudine a capacității de memorie înseamnă că toate informațiile stocate într-un creier uman (întreaga experiență de viață a unei persoane) poate fi, de asemenea, codificată în distribuția galaxiilor din universul nostru”.

Această constatare nu înseamnă că Universul este un creier uriaş sau că este capabil de simțire. Dar sugerează că legile care guvernează dezvoltarea ambelor structuri ar putea fi aceleași.

Studii precum acesta, realizat de Vazza și Feletti, ar putea deschide calea pentru o mai bună înțelegere a acestor legi.

„Parametrii structurali au identificat un grad de similitudine neașteptat. Probabil, conectivitatea din cadrul celor două rețele evoluează urmând principii fizice similare, în ciuda diferenței izbitoare și evidente dintre procesele fizice din galaxii și neuroni.

Aceste două rețele complexe prezintă mai multe asemănări decât cele dintre rețeaua cosmică și o galaxie sau dintre o rețea neuronală și interiorul unui neuron”, a declarat Feletti.

Cercetarea a fost publicată în Frontiers în Physics.

Traducere după Study Maps The Odd Structural Similarities Between The Human Brain And The Universe