”Vetenskapen är inte bara förenlig med andlighet; det är en djup källa till andlighet. När vi känner igen vår plats i en enorm mängd ljusår och i tidernas gång, när vi förstår livets invecklade skönhet och subtilitet, då är den där skyhöga känslan, den känslan av upprymdhet och ödmjukhet i kombination, verkligen andlig.” –Carl Sagan 'Den demonspökade världen.'
När jag lärde mig om universum, har jag känt andliga ögonblick, som Sagan beskriver dem, eftersom jag bättre förstår min koppling till det vidare allt. Som när jag först fick veta att jag bokstavligen var gjord av stjärnornas aska – atomerna i min kropp spreds in i den eviga etern av supernovor. Ett annat andligt ögonblick var att se den här bilden för första gången:
Hippocampus musneuron översållad med synaptiska anslutningar (gul), med tillstånd från Lisa Boulanger, från https://www.eurekalert.org/multimedia/pub/81261.php . Den gröna centrala cellkroppen är ? 10 µm i diameter. B. Kosmisk väv (Springel et al., 2005). Skalstång = 31,25 Mpc/h, eller 1,4 × 1024 m. Juxtaposition inspirerad av Lima (2009).
En neuron i hjärnan intill galaxhopar och deras sammankopplade filament av materia och mörk materia. Likheten är omedelbart tydlig. Innebörden? Du kanske har ett helt universum i ditt huvud. Men likheten mellan bilderna kan helt enkelt vara ett fall av apophenia – uppfatta likhet där ingen faktiskt existerar. När allt kommer omkring, hur kan dessa två saker vara lika med tanke på den stora skillnaden i skala mellan dem? Men tänk om bortom den visuella likheten mellan nätverken av neuroner i hjärnan och näten av galaxer i kosmos, en objektiv mätning skulle kunna jämföra hur lika de verkligen är? Det är vad Franco Vazza (astrofysiker vid universitetet i Bologna) och Alberto Feletti (neurokirurg vid universitetet i Verona) försökte upptäcka genom att kombinera båda sina discipliner för en publikation i 'Fysikens gränser.'
En intergalaktisk länk
Den mänskliga hjärnan är bokstavligen en av de mest komplexa strukturerna som är kända i universum – som i sig är den största av all komplexitet. Din hjärna har cirka 80 miljarder neuroner – cellerna som bearbetar indata från sinnena och skickar signaler till din kropp genom nervsystemet. Neuroner är också nätverk, kommunicerar med varandra genom anslutningar som kallas axioner och dendriter. Det finns i storleksordningen 100 biljoner kopplingar mellan neuroner som bildar det neurala nätverk som skapar vem du är.
NGC 6888 'Crescent Nebula' har sagts likna en jättehjärna i rymden
- Patrick Hsieh CC BY-SA 4.0
Universum är också uppkopplat i nätverk. Även om vi kan tänka på rymden som objekt som är åtskilda av stora delar av … ja… rymden, så är det inte helt fallet. Universum vi ser med vår vetenskapliga utrustning kallas det 'observerbara universum' med cirka 90 MILJARDER ljusår i diameter och innehåller i storleksordningen hundratals miljarder till några biljoner galaxer. Dessa galaxer, liksom vår Vintergatan, samlingar av miljarder stjärnor, är själva grupperade i galaxhopar. Vår Vintergatan är en del av den 'lokala gruppen' som innehåller de närliggande Andromeda- och Triangulumgalaxerna samt 50 andra galaxer. Dessa galaxer är i sin tur en del av en större grupp som kallas Virgo Supercluster. Utrymmet mellan grupper och kluster är inte tomt utan innehåller snarare anslutande filament av både vanliga och mörk materia som sträcker sig över miljoner ljusår. På så sätt kan universum ses som ett gigantiskt nätverk av galaxhopar som alla är sammankopplade på samma sätt som neurala nätverk i hjärnan. Det nätverket kallas Kosmisk webb .
En simulering av bildandet av den kosmiska webben från tidernas begynnelse till nutid
Ett universum i ett universum
Forskningen för att hitta kvantifierbara likheter mellan båda nätverken föddes i ett partnerskap mellan neurovetenskap och astrofysik. Med hjälp av tekniker och verktyg från båda disciplinerna tittade Vazz och Feletti på dessa två nätverk för att hitta kvantifierbara likheter bortom den upplevda visuella likheten. Var dessa nätverk jämförbara och, i så fall, vad betyder det?
Forskarna använde 4 mikrometer tjocka skivor av den mänskliga cortex - det yttre lagret av hjärnan som är ansvarigt för bearbetning av språk, sensorisk information, tanke, minne och medvetande. Dessa jämfördes med 25 megaparsec (1 parsec = ca 3,26 ljusår) tjocka 'skivor' av universum tagna från en datorsimulerad volym på 1 miljon kubik megaparsec rymd. Skivorna av hjärnan och universum är relativt jämförbara i tjocklek då med tanke på att båda är det 27 storleksordningar i storlek skiljer sig från varandra.
Kosmiska webb- och hjärnprover vid 4x, 10x och 40x förstoring
- Vazza F och Feletti A (2020)
Vänster: sektion av lillhjärnan, med förstoringsfaktor 40x, erhållen med elektronmikroskopi (Dr. E. Zunarelli, Universitetssjukhuset i Modena); höger: avsnitt av en kosmologisk simulering, med en förlängning av 300 miljoner ljusår på varje sida (Vazza et al. 2019 A&A).
Beroende på skalan undersöktes skivorna - likheten i struktur var inte alltid uppenbar. Men vid 40x förstoring i hjärnvävnaden började forskarna se likheter i strukturen. 40x förstoring representerar en skala på 0,01-1,6 mm i hjärnan och 1-100 megaparsek i universum. Här ser det neuronala nätverket ut som galaxhoparna. Dessutom kan likheten mellan nätverken mätas objektivt och jämföras med två tekniker. Den första är 'nätverksgradscentralitet' som mäter längden på nätverksanslutningarna och graden av anslutning i ett givet nätverk. Kärnan eller centrum av en neuron är mycket mindre i radie än längden på anslutande axioner och dendriter. På samma sätt är galaxhopar mycket mindre i radie än längden på anslutande filament. Den andra metoden för att objektivt jämföra båda nätverken är 'klustringskoefficienten' som kvantifierar mängden struktur intill varje anslutningsnod (neuron- eller galaxkluster) och jämför den strukturen med en slumpmässig punkt i nätverket. Denna jämförelse kontrasterar organisation mot slumpmässighet i båda nätverken.
Vazza F och Feletti A (2020) Figur 3: 'Översta paneler: zoomade detaljer av de rekonstruerade anslutningarna mellan noder för tre exempel på nätverk i vårt prov (blå linjer, överlagrade på densitetskontrastkartorna). Nedre paneler: fördelningar av klustringskoefficient och gradcentralitet för alla skivor”
'How Big is the Universe' – Fraser Cain Universe Today
Genom att tillämpa teknikerna på dessa skalor fann Vazz och Feletti 'anmärkningsvärda' likheter mellan både hjärnan och universum. De fann också att nätverken var mer lika varandra än andra biologiska och fysiska strukturer inklusive trädgrenar, dynamiken i molnbildning eller vattenturbulens. Dessa andra strukturer är fraktala till sin natur. Fraktalmönster är självupprepande och ser likadana ut oavsett vilken skala du observerar dem. Däremot ser universum helt annorlunda ut på mindre än större skalor. Galaxer och solsystem liknar inte den kosmiska webben som de skapar. Så även hjärnan liknar inte längre det neurala nätverket när den observeras i olika skalor. Skalan i sig kan vara viktig för skapandet av dessa strukturer när det gäller hur de organiserar sig.
Forskarna avslutar sina resultat'Tips på det faktum att liknande nätverkskonfigurationer kan uppstå från interaktionen av helt olika fysiska processer, vilket resulterar i liknande nivåer av komplexitet och självorganisering, trots den dramatiska skillnaden i rumsliga skalor mellan dessa två system.'Med andra ord kan nätverk som hjärnan och universum dela liknande struktur samtidigt som de är helt olika i storlek och bildas av olika processer (gravitation vs biologi). Ändå är det möjligt att något fick både att utvecklas och växa på ett liknande sätt.
Denna 'Mandelbrot Zoom' är ett fraktalt mönster som ser likadant ut oavsett i vilken skala det observeras till skillnad från hjärnan och universum som ser väldigt olika ut i olika skalor
Forskarna noterade två andra intressanta likheter mellan hjärnan och den kosmiska webben. Den första var förhållandet mellan sammansättning. Hjärnan är 77 % vatten medan den kosmiska webben på samma sätt är cirka 73 % mörk energi . Vatten och mörk energi är inte en del av själva nätverket utan betraktas som 'passivt material' eller passiv energi. Närvaron och förhållandet mellan passivt material och energi kan vara av relevans för hur dessa nätverk bildas. En andra fascinerande likhet är att mängden datordata som krävs för att kartlägga de simulerade universumsmodellerna är jämförbar med den mänskliga hjärnans teoretiska minneslagringsgränser. Mellan 1-10 Petabye (1 Petabyte = 1000 Terrabyte) data behövs för att simulera utvecklingen av det observerbara universum på skalor där den kosmiska webben blir uppenbar. Uppskattningar på total lagringskapacitet av den mänskliga hjärnan är cirka 2,5 Petabyte. En människa skulle då teoretiskt kunna lagra en stor del av det observerbara universums struktur...inuti sin hjärna. Eller, ännu mer häpnadsväckande att tänka på, den kosmiska webben skulle teoretiskt kunna lagra data från en livstid av mänskliga erfarenheter.
Hubble 'eXtreme Deep Field'-bild visar cirka 5 500 av
mest avlägsna galaxer som någonsin avbildats. – NASA/ESA
Förutom likheter finns det skillnader mellan den kosmiska webben och hjärnan. Medan proverna av hjärnan som användes var från cortex, är hela hjärnan inte enhetlig. Olika delar av hjärnan är strukturerade för olika ändamål medan en nyckelfunktion i universum är dess enhetlighet i nästan alla riktningar. Länkar mellan neuroner i hjärnan är till för överföring av sensorisk information medan länkar i universum överför energi och materia enbart. Vazz och Feletti hoppas att deras forskning kommer att inspirera till utvecklingen av kraftfullare algoritmer för att upptäcka ännu fler likheter mellan hjärnan och universum. Kanske kommer vi att lära oss om tillstånden som gör att två nätverk födda ur helt olika processer liknar varandra så nära.
Vi har hört Carl Sagan beskriva hur våra kroppar är bokstavligen gjorda av stjärnor. Nu börjar vi förstå att våra hjärnor kan vara mönstrade som dem också. Ett helt universum av anslutningar finns i ditt sinne – ett universum i ett universum – och en som kan nå ut till den andra som gav upphov till det. Miljarder neuroner som berör miljarder stjärnor – säkert andliga.
Mer att utforska:
De faktiska simulerade universumbilderna som används i forskningen: https://cosmosimfrazza.myfreesites.net/cosmic-web-and-brain-network-datasets
Påminner den mänskliga hjärnan om universum? | EurekAlert! Vetenskapsnyheter
Som Ovan Som Nedan Konstutställning
Hur din hjärna är som den kosmiska webben (nautil.us)
Fråga Ethan: Är universum självt levande? (forbes.com)
Hur stort är universum? – Universum idag
[astro-ph/9512141] Hur filament vävs in i den kosmiska webben (arxiv.org)