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大脑与宇宙惊人的相似, 你生命记忆可以存储在宇宙的结构中

时间:2019-11-24 来源:果妈的小确幸

【按】下文引述国际上几位科学家的多年研究,揭示给你目瞪口呆的结论。

Christof Koch是一位关于意识和人类大脑的主要研究人员,他将大脑称为“已知宇宙中最复杂的物体。”不难看出为什么这可能是真的。拥有数千亿个神经元和一百万亿个连接,大脑是一个令人眼花缭乱的复杂物体。

但宇宙中还有许多其他复杂的物体。例如,星系可以分成巨大的结构(称为星团,超星系团和细丝),可以延伸数亿光年。这些结构与称为宇宙空洞的相邻空间之间的边界可能非常复杂。1重力将这些边界处的物质加速到每秒数千公里的速度,在星系际气体中产生冲击波和湍流。我们已经预测,空隙 - 细丝边界是宇宙中最复杂的体积之一,通过描述它所需的信息位数来衡量。

这让我们想到:它比大脑更复杂吗?

因此,我们 - 天体物理学家和神经科学家联合起来,定量比较星系网络和神经元网络的复杂性。我们比较的第一个结果确实令人惊讶:不仅大脑和宇宙网的复杂性实际上相似,而且它们的结构也是如此。宇宙可能在尺度上相差十亿亿亿的尺度上自相似。

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比较星系的大脑和集群他的任务是艰巨的。一方面,它需要处理以截然不同的方式获得的数据:一方面是望远镜和数值模拟,另一方面是电子显微镜,免疫组织化学和功能磁共振。

它还要求我们考虑非常不同的尺度:整个宇宙网 - 整个宇宙星系所描绘的大尺度结构 - 延伸至少数百亿光年。这比人脑大27个数量级。此外,其中一个星系是数十亿实际大脑的家园。如果宇宙网至少与其任何组成部分一样复杂,我们可能天真地得出结论,它必须至少与大脑一样复杂。

人类大脑中的神经元总数与可观察宇宙中星系数量的大致相同。

但是出现的概念使得比较成为可能。许多自然现象在所有尺度上都不是同样复杂的。宇宙网络的雄伟网络只有在天空被最大程度地调查时才变得明显。在较小的尺度上,物质被锁定在恒星,行星和(可能)暗物质云中,这种结构就会丢失。一个不断发展的星系并不关心原子内电子轨道的跳跃,电子在它们的核周围移动,而不考虑它们所处的银河系。

通过这种方式,宇宙包含许多嵌套到系统中的系统,在不同尺度上几乎没有交互。这种尺度隔离使我们能够研究它们在自然尺度上出现的物理现象。

宇宙网的构建块是恒星,气体和暗物质的自引力晕(其存在尚未得到明确证实)。总的来说,可观测宇宙中的星系数量应该在1000亿左右。时空结构的加速膨胀和自重的拉动之间的平衡使这个网络具有类似蜘蛛网的模式。普通和暗物质凝聚成弦状细丝,星系交叉处形成星系团,大部分剩余体积基本上是空的。由此产生的结构看起来模糊不清。

直到最近才在文献中直接估计人脑中的细胞或神经元的数量。皮质灰质(占大脑质量的80%以上)含有约60亿个神经元(19%的脑神经元)和近90亿个非神经元细胞。小脑有大约690亿个神经元(80.2%的大脑神经元)和大约160亿个非神经元细胞。有趣的是,人类大脑中的神经元总数与可观察宇宙中星系数量的大致相同。

眼睛立即掌握了宇宙网和大脑图像之间的某些相似性。在图1中,我们展示了在10亿光年的切片中的宇宙物质的模拟分布,以及穿过人类小脑的4微米(μm)厚切片的真实图像。

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LOOKALIKES(图1):宇宙网的模拟物质分布(左)与观察到的小脑神经元体的分布​​(右)。用针对神经丝的克隆2F11单克隆抗体染色神经元体。

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明显的相似性只是人类倾向于在随机数据(apophenia)中感知有意义的模式吗?值得注意的是,答案似乎是否定的:统计分析表明这些系统确实存在定量相似性。研究人员经常使用一种称为功率谱分析的技术来研究星系的大规模分布。图像的功率谱测量属于特定空间尺度的结构波动的强度。换句话说,它告诉我们有多少高频和低频音符使每个图像具有独特的空间旋律。

从图2(下图)的功率谱图中可以看到一个惊人的信息:两个网络中波动的相对分布非常相似,超过几个数量级。

不断发展的星系并不关心原子内电子轨道的跳跃。

小脑在0.1-1毫米尺度上的波动分布让人联想到数百亿光年的星系分布。在可用于显微观察(约10μm)的最小尺度下,皮质的形态与星系的形状更接近,在数十万光年的尺度上。

相比之下,其他复杂系统的功率谱(包括云,树枝,等离子和水湍流的投影图像)与宇宙网的功率谱非常不同。这些其他系统的功率谱显示出对比例的更陡的依赖性,这可能是其分形性质的表现。这对于树木和云图案中的分支的分布尤其引人注目,这两者都是众所周知的分形系统,其具有跨多种尺度的自相似性。另一方面,对于宇宙网和人类大脑的复杂网络,观察到的行为不是分形的,这可以被解释为出现依赖于尺度的自组织结构的证据。

与功率谱比较一样显着,它并没有告诉我们这两个系统是否同样复杂。估计网络复杂性的一种实用方法是衡量预测其行为的难度。这可以通过计算构建可以执行这种预测的最小可能计算机程序所需的信息位数来量化。

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指纹(图2):图1的相同图的波动随空间尺度的变化的分布(通过人体皮层的薄切片的附加分析,未在图1中示出)。为了比较,显示了云,树枝,等离子体和水湍流的功率谱密度。

我们中的一个人最近测量了基于模拟宇宙的数字演化来预测宇宙网络如何演变的困难程度。1这一估计表明,需要大约1到10 PB的数据来描述整个可观测宇宙在其自组织出现的范围内(或至少是其模拟对应物)的演变。

估计人类大脑的复杂性要困难得多,因为大脑的全球模拟仍然是未得到满足的挑战。但是,我们可以说复杂性与智力和认知成正比。根据对大脑网络连通性的最新分析,独立研究得出的结论是,成年人脑的总记忆容量应该在2.5 PB左右,距离宇宙网估计的1-10 PB范围不远!

粗略地说,这种记忆容量的相似性意味着存储在人类大脑中的整个信息体(例如,一个人的整个生活经历)也可以被编码到我们宇宙中的星系分布中。或者,相反,具有人脑记忆能力的计算设备可以再现宇宙以其最大尺度显示的复杂性。

一个真正了不起的事实是,宇宙网更类似于人脑比它是一个星系的内部; 或者神经网络与宇宙网络更相似,而不是神经网络内部。尽管在基质,物理机制和大小方面存在巨大差异,但当使用信息理论工具考虑时,人类神经网络和星系宇宙网络非常相似。

这个事实是否告诉我们两个系统中出现现象的物理学的深刻内容?也许。但我们必须把这些发现带到一点点。我们的分析仅限于使用非常不同的测量技术拍摄的小样本。

此外,我们的分析并未指出这些系统之间的动态相似性。在两个系统中信息如何跨空间尺度和时间流动的模型将是关键的测试。通过数值模拟,这对于宇宙网已经是可行的。对于人类大脑,我们必须依赖更多的全局估计,通常来自较小的部分,然后向上扩展。在不久的将来,我们的目标是在更复杂的人类大脑数值模型中测试这些概念。

用于模拟整个人类神经网络的人脑工程和广播天文学领域最大的企业平方公里阵列等计划将帮助我们填写其中的一些细节,并了解宇宙是否比我们更令人惊讶思想。

Franco Vazza是意大利博洛尼亚INAF射电天文学研究所的地平线2020的玛丽居里Slodowska行动的研究员。

Alberto Feletti是意大利Azienda Ospedaliero-Universitaria di Modena NOCSAE医院神经外科的成员。

我们非常感谢Elena Zunarelli博士(意大利摩德纳大学医院Policlinico di Modena解剖病理学系)通过图1的皮层和小脑产生切片。

参考

1. Vazza,F。关于宇宙结构的复杂性和信息内容。皇家天文学会月报 465,4942-4955(2017)。

原文:http://nautil.us/issue/50/emergence/the-strange-similarity-of-neuron-and-galaxy-networks

延伸与升华

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