人腦是小宇宙?大腦神經網與星系網絡相似

蕭路

【正見新聞網2020年11月23日】

圖:左圖為神經元網絡照片,右圖為宇宙星系網絡示意圖。Credit: University of Bologna)

義大利博洛尼亞大學(University of Bologna)的Franco Vazza教授和維羅納大學(University of Verona)的神經外科醫生Alberto Feletti將人腦中神經元細胞的網絡,與大尺度宇宙的星系網絡進行了比較,出現了令人驚訝的相似之處。

在2020年11月6日的《物理學前沿》上發表的論文中,兩位作者研究了自然界中最具挑戰性也是最複雜的兩個系統之間的相似性:宇宙的星系網絡以及人腦中神經元細胞的網絡。

儘管兩個網絡的物理尺寸差異很大(超過27個數量級),但兩位作者的定量分析表明,不同的物理過程可以構建具有相似程度的複雜性和自組織的結構。

人腦的功能要歸功於其廣泛的神經元網絡。該網絡包含大約690億個神經元。另一方面,可觀測的宇宙由至少1000億個星系的網絡組成。

相似的是,在這兩個系統中,只有30%的質量是由星系或者神經元組成。不僅如此,星系和神經元都分別將自己排列在長絲線狀結構或絲之間的節點中。最後,這兩個系統中70%的質量或能量分布來自於貌似起被動作用的成分:在大腦中是水,而在宇宙中是暗能量。

從兩個系統的共同特徵出發,研究人員將銀河網絡與大腦皮層和小腦部分的模擬進行了比較。這麼做的目地是觀察物質的波動如何分散在如此不同的規模上。

「我們計算了兩個系統的譜密度。這是宇宙學中經常用於研究星系空間分布的技術,」 Vazza教授解釋說,「我們的分析表明,小腦神經元網絡內波動的分布範圍從1微米到0.1毫米,遵循和宇宙星系網中物質分布的相同過程。不過後者的分布範圍從5百萬至5億光年。」

兩位研究人員還計算了一些表征神經網絡和宇宙網的參數:每個節點中的平均連接數以及網絡中相關中央節點中的多個連接聚集的趨勢。

「再一次,結構參數已經確定了意想不到的相似性。儘管調節星系和神經元的物理過程之間存在明顯差異,但兩個網絡之間的連通性可能通過遵循相似的物理原理髮展而成。這兩個複雜網絡的相似性比星系網和星系之間或神經元網絡和神經元之間的相似性更高。」

這項前瞻性研究的結果令人鼓舞。這促使研究人員認為,在宇宙學和神經外科這兩個完全不同的領域中,新的有效分析技術將使人們能夠更好地理解這兩個系統的時間演變背後的動力學。

(大紀元)

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