人脑是小宇宙?大脑神经网与星系网络相似

文/萧路

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【大纪元2020年11月17日讯】意大利博洛尼亚大学(University of Bologna)的Franco Vazza教授和维罗纳大学(University of Verona)的神经外科医生Alberto Feletti将人脑中神经元细胞的网络,与大尺度宇宙的星系网络进行了比较,出现了令人惊讶的相似之处。

在2020年11月6日的《物理学前沿》上发表的论文中,两位作者研究了自然界中最具挑战性也是最复杂的两个系统之间的相似性:宇宙的星系网络以及人脑中神经元细胞的网络。

尽管两个网络的物理尺寸差异很大(超过27个数量级),但两位作者的定量分析表明,不同的物理过程可以构建具有相似程度的复杂性和自组织的结构。

人脑的功能要归功于其广泛的神经元网络。该网络包含大约690亿个神经元。另一方面,可观测的宇宙由至少1000亿个星系的网络组成。

相似的是,在这两个系统中,只有30%的质量是由星系或者神经元组成。不仅如此,星系和神经元都分别将自己排列在长丝线状结构或丝之间的节点中。最后,这两个系统中70%的质量或能量分布来自于貌似起被动作用的成分:在大脑中是水,而在宇宙中是暗能量。

从两个系统的共同特征出发,研究人员将银河网络与大脑皮层和小脑部分的模拟进行了比较。这么做的目地是观察物质的波动如何分散在如此不同的规模上。

“我们计算了两个系统的谱密度。这是宇宙学中经常用于研究星系空间分布的技术,” Vazza教授解释说,“我们的分析表明,小脑神经元网络内波动的分布范围从1微米到0.1毫米,遵循和宇宙星系网中物质分布的相同过程。不过后者的分布范围从5百万至5亿光年。”

两位研究人员还计算了一些表征神经网络和宇宙网的参数:每个节点中的平均连接数以及网络中相关中央节点中的多个连接聚集的趋势。

“再一次,结构参数已经确定了意想不到的相似性。尽管调节星系和神经元的物理过程之间存在明显差异,但两个网络之间的连通性可能通过遵循相似的物理原理发展而成。这两个复杂网络的相似性比星系网和星系之间或神经元网络和神经元之间的相似性更高。”

这项前瞻性研究的结果令人鼓舞。这促使研究人员认为,在宇宙学和神经外科这两个完全不同的领域中,新的有效分析技术将使人们能够更好地理解这两个系统的时间演变背后的动力学。

责任编辑:林妍#◇

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