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我们的大脑和宇宙,具有惊人的相似性

发布时间:2021-01-04 10:25 来源:集智俱乐部

  一手显微镜,一手望远镜,会观察到什么惊人现象吗?当脑切片中的神经网络被放大到40倍以后,1微米-0.1毫米尺度上的人脑神经网络和500万光年-5亿光年尺度上的宇宙网呈现出了相似之处……

 小鼠脑神经元分布(左)和宇宙间物质分布(右) 小鼠脑神经元分布(左)和宇宙间物质分布(右)

  自然中什么系统最为复杂?是大脑和宇宙。

  在近期的发表于 Frontiers in Physics 的一篇论文中,来自意大利的学者通过对比人脑中神经元网络和宇宙中的星系网络,发现它们之间惊人的相似性。进而引发更深刻的推论:两个复杂系统演化出的结构相似,那么尽管两者的尺度和形成过程完全不同,但它们自组织的过程可能由相似的网络动力学驱动。

  人脑是一个复杂的时空多尺度结构,分子、细胞和神经元现象共存。它可以被建模为一个多层网络,也就是所谓大脑连接组:近邻的神经元连接形成局部结构,不同的局部结构之间形成连接实现认知功能。揭开人脑连接组的结构和功能之谜,并明确胶质细胞和微环境的作用,是如今神经科学主要的挑战。

  而随着暗物质和暗能量模型被物理学家广泛接受,宇宙也可以被建模为网络。目前对宇宙网络结构形成过程具有较好解释的,是ΛCDM暗物质模型。由于宇宙间物质密度的差异被引力作用放大,形成了无数的星系团,这些星系团物质形成了一个大型的网络。

  从大脑网络到宇宙网络

  人脑和宇宙这两个系统中的相互作用完全不同,但一手显微镜,一手望远镜,对神经元网络和宇宙网络之间相似性的观察和猜测已有很多。在这篇论文中,研究者根据对脑组织的光学显微镜观测和高分辨率宇宙网络图像,借助网络分析方法,对两者的相似性进行了定量分析。

  首先,大脑网络和宇宙网络,在规模上有巨大差异,在特定尺度上才具有相似性。脑神经网络目前认为有数百亿个神经元细胞组成。而宇宙网络中目前观测到的星系超过了1000亿个。

  另外,大脑的神经网络中和宇宙网络中,都只有少量的物质构成了网络。宇宙网路的稀疏比较容易理解,在巨大的星系之间存在着大量的空洞,大约有70%质量是由暗物质构成的。而人脑中也同样如此,作为一个生物器官,最主要的组成成份就是水,在人脑中神经细胞仅占25%,而大约有75%是水份。在这一点上来说,“脑子里都是水”也有一定的科学依据。

  除了组成成份以外,宇宙与人脑的相似性,可能是特定尺度上才有的。

  不同尺度下的网络结构对比

 小脑切片(上层)、大脑皮层切片(中层)和宇宙网局部图(下层)的对比图 小脑切片(上层)、大脑皮层切片(中层)和宇宙网局部图(下层)的对比图

  我们从数据集中看到网络结构如上图所示,如果仅仅从图片来看我们并没有看到太大的相似性,在宇宙中,大密度的星系星团占据着主导的地位,而在人脑的神经网络中,神经纤维则会产生更加均匀细腻的小模式。不过,当研究者进一步调高显微镜的放大倍数时,就可以在脑切片中看到一些与宇宙网络的相似之处了。

被放大了40倍的脑切片神经网络结构与宇宙网络的对比被放大了40倍的脑切片神经网络结构与宇宙网络的对比

  从上图我们可以发现,当脑切片中的神经网络被放大到40倍以后,1微米-0.1毫米尺度上的人脑神经网络和500万光年-5亿光年尺度上的宇宙网呈现出了相似之处。

  接着,研究者计算了两种网络中的特征参数——节点的平均连接度数与中心节点的聚集系数。这些网络结构的特征参数也体现出了一致性。虽然星系和脑神经网络是两种完全不同的物体,但其网络的连通性却遵循着类似的物理规律。

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