Czy Wszechświat organizuje się niczym sieć neuronowa?

Niektórzy twierdzą, że nasz Wszechświat wydaje się podążać za samoorganizującymi się, powtarzalnymi wzorcami – fraktalami. Ta cecha charakterystyczna jego struktury jest przy tym niemal wszechobecna. Naukowcy z Resonance Science Foundation podjęli próby opisania tej organizacji i odwołują się do tak zwanej fizyki holofraktogramicznej. Ta odnosi się do dwóch własności zdających się leżeć u podstaw kosmosu: holograficznego uporządkowania informacji, w którym każda podjednostka systemu zawiera informacje o jego całości, i fraktalnego uporządkowania struktur.

Co w ogóle oznacza fraktalne uporządkowanie struktur? Fraktale to twory uzyskiwane przez stosunkowo proste funkcje algorytmiczne, mające jednak tendencję do generowania złożonych i powtarzalnych wzorów. Fraktal to po prostu samopodobny (ale niekoniecznie identyczny!) wzór, który powtarza się niezależnie od skali wielkości. W praktyce wygląda to tak, że niezależnie od tego, jak bardzo „przybliżamy się” lub „oddalamy”, obserwujemy zawsze podobny wzór, który powtarza się w nieskończoność. Matematycznie oznacza to, że taki fraktal ma właściwość niezmienności skali, a ten sam poziom złożoności powtarza się w nim sekwencyjnie. Gdy go dowolnie powiększamy, ukazuje nam coraz bardziej złożone detale tej złożoności.

Kalafior rzymski – przykładem występowania fraktali w przyrodzie. Źródło: Wikipedia/Ivar Leidus - Praca własna

Na zdjęciu: Kalafior rzymski – przykład występowania fraktali w przyrodzie. Źródło: Wikipedia/Ivar Leidus - Praca własna

Struktury o budowie fraktalnej są bardzo powszechne także w przyrodzie. Przykłady to niektóre liście i kwiaty, krystaliczne płatki śniegu, czy układ naczyń krwionośnych. Czy zatem i sam kosmos jest uporządkowany fraktalnie? Oznaczałoby to, że istnieje pewien poziom złożoności niezmiennej względem skali, w jakiej obserwujemy Wszechświat. Gdy na przykład widzimy złożoność w niewielkiej mezoskali mózgu zwierzęcia (przedstawiony na ilustracji 1), należy spodziewać się, że ten sam poziom złożoności będzie powtarzał się z określonym krokiem „przerw” również w większej i mniejszej skali. Przy obecnej technologii nie możemy wprawdzie bezpośrednio badać przestrzeni Wszechświata w bardzo, bardzo niewielkiej skali Plancka – nie możemy zatem badać organizacji kosmosu na najniższym poziomie. Możemy za to zbadać i ilościowo określić złożoność Wszechświata w największych skalach, czyli w skali tak zwanej Kosmicznej Sieci. Pozwalają na to współczesne, precyzyjne dane obserwacyjne.

Złożoność mózgu i wielkoskalowej struktury Wszechświata. Źródło: Publikacja Zespołu.

Ilustracja 1: Złożoność mózgu i wielkoskalowej struktury Wszechświata. Źródło: Publikacja Zespołu.

System biologiczny pojedynczej komórki jest o 10^30 rzędów wielkości większy niż skala Plancka i o 10^30 rzędów wielkości mniejszy niż obserwowalny Wszechświat. Można powiedzieć, że znajduje się w równej „odległości” między tymi dwoma granicami. Źródło: Publikacja Zespołu.

Ilustracja 2: System biologiczny pojedynczej komórki jest o 10^30 rzędów wielkości większy niż skala Plancka i o 10^30 rzędów wielkości mniejszy niż obserwowany Wszechświat. Można powiedzieć, że znajduje się on w równej „odległości” między tymi dwoma ekstremalnymi granicami. Źródło: Publikacja Zespołu.

Nowe badania wskazują na to, że można już określić obiektywne, ilościowe (czyli i dobrze określone matematycznie) podobieństwo między sieciami neuronalnymi i wielkoskalowym rozkładem galaktyk. W artykule opublikowanym we Frontiers in Physics profesorowie Franco Vazza i Alberto Feletti (astrofizyk i neurobiolog) opisują w ten sposób właściwości oraz różnice strukturalne, morfologiczne i pamięciowe pomiędzy Siecią Kosmiczną a siecią komórek neuronalnych w mózgu człowieka. Ich badania dowodzą, że podobieństwa widoczne między tymi dwiema formami organizacji materii we Wszechświecie – oddzielonymi ogromnymi skalami wielkości – nie są jedynie przypadkowym lub subiektywnie odbieranym przez nas wrażeniem, ale wymagają fizycznego opisu, który ujednolica dynamikę tych samoorganizacji w różnych skalach.

To nie wszystko. Być może najbardziej niezwykłym wnioskiem z tych badań jest to, że, jak mówią sami autorzy, wspomnienia naszego życia mogłyby być w zasadzie przechowywane w strukturze Wszechświata (chodzi o sam poziom złożoności, nie możliwość przeniesienia naszej świadomości do większej skali czy teoretyzowanie na temat samoświadomości kosmosu). Jak to możliwe?

Na początek warto przyjrzeć się niektórym podobieństwom w organizacji strukturalnej między sieciami neuronalnymi i galaktycznymi (przy różnicy skali rzędu 10²⁷ rzędów wielkości!). Galaktyki grupują się w ogromne struktury zwane gromadami i supergromadami. Mogą mieć one rozmiary rzędu setek milionów parseków. Struktury te są zorganizowane jako sieci dendrytyczne (podobnie jak neurony w mózgu), z długimi włóknami galaktycznymi łączącymi węzły – główne galaktyczne centra – i z równie wielkimi pustkami między włóknami i węzłami. Franco Vazza i Alberto Feletti przeprowadzili obliczenia komputerowe dla symulacji organizacji materii na granicy pomiędzy pustkami a włóknami, czyli tam, gdzie grawitacja przyspiesza materię do prędkości rzędu tysięcy kilometrów na sekundę. Doszli do wniosku, że są to jedne z najbardziej złożonych obszarów zorganizowanej materii we Wszechświecie.

Cała Kosmiczna Sieć, wielkoskalowa struktura wytyczana przez wszystkie obserwowalne galaktyki, rozciąga się na co najmniej kilkadziesiąt miliardów lat świetlnych. Jedna z tych galaktyk jest domem dla miliardów rzeczywistych mózgów. Jeśli (to założenie uczonych) kosmiczna sieć jest co najmniej tak złożona, jak którakolwiek z jej części składowych, możemy naiwnie wywnioskować, że powinna być co najmniej równie złożona jak nasz mózg. Te dwa systemy są zorganizowane w dobrze zdefiniowane sieci, a po przeprowadzeniu pewnych porównań ilościowych między tymi nimi da się dostrzec niesamowity wręcz poziom podobieństwa.

Całkowitą liczbę galaktyk w obserwowalnej sferze Wszechświata szacuje się dziś na około 2,6 biliona, przy czym jakieś 50 miliardów galaktyk to te o masach równych lub większych niż masa Drogi Mlecznej. Galaktyki nie są rozmieszczone jednorodnie – jak już wspomniano, zbierają się w duże gromady. Długie włókna, liczące nawet kilkadziesiąt megaparseków, łączą ze sobą gromady galaktyk oddzielone od siebie (w większości) pustą przestrzenią. Niedawne badania mózgu człowieka dowodzą z kolei, że jest w nim łącznie około 86 miliardów neuronów i prawie taka sama liczba komórek glejowych oraz innych komórek nieneuronalnych. Od razu widzimy tu podobieństwo ilościowe. Oba systemy – „duży” i „mały” – zorganizowane są w dobrze zdefiniowane sieci, z mniej więcej ∼10¹⁰−10¹¹ węzłami połączonymi poprzez włókna. Co ciekawe, według szacunków całkowita liczba neuronów w ludzkim mózgu jest też zbliżona do liczby galaktyk w obserwowalnym Wszechświecie.

W obu przypadkach około 75% rozkładu masy/energii składa się z pozornie pasywnego materiału, który przenika oba układy i odgrywa jedynie pośrednią rolę w ich wewnętrznej strukturze: to woda w przypadku mózgu i ciemna energia w kosmologii, która w dużej mierze zdaje się nie wpływać na wewnętrzną dynamikę struktur kosmicznych – zauważają Vazza i Feletti.

Choć woda obecna w mózgu i ciemna energia Wszechświata są tu opisane jako media pasywne, w rzeczywistości odgrywają ważne role w swoich układach. Na przykład płyn mózgowo-rdzeniowy (który składa się głównie z wody) jest głównym nośnikiem substancji neuroaktywnych i regulatorowych cząsteczek sygnałowych takich jak mitogeny, a ciemna energia jest wynikiem ogromnych wahań w energii próżni kwantowej i, jak się uważa, zapoczątkowała pierwotne jednorodności w gęstości energii, które z czasem umożliwiły powstawanie gromad galaktyk.

Dalsza analiza statystyczna wykazała, że podobieństwa między Siecią Kosmiczną a mózgowymi sieciami neuronalnymi nie są subiektywne i nie wynikają z tego, że ludzki umysł próbuje po prostu na siłę szukać wzorców tam, gdzie ich nie ma. Vazza i Feletti wykorzystali technikę powszechnie stosowaną w kosmologii, metodę analizy widma mocy, aby ocenić poziom podobieństwa ilościowego między dwiema badanymi sieciami. Widmo mocy mierzy moc fluktuacji strukturalnych w określonej skali przestrzennej. Odkryto, że widmo mocy rzeczywistych wycinków móżdżku i kory mózgowej (przy 40-krotnym powiększeniu) w statystycznie istotnym stopniu odpowiada podobnej krzywej wygenerowanej dla Kosmicznej Sieci na podstawie jej symulacji numerycznych.

Wielkoskalowa struktura Wszechświata (Laniakea) i ludzkiego mózgu.

Ilustracja 3. Wielkoskalowa struktura Wszechświata – Laniakea. Źródło: The Strange Similarity of Neuron and Galaxy Networks; by Franco Vazza & Alberto Feletti.

Rozkład fluktuacji jako funkcja skali przestrzennej dla map z ilustracji 2, z dodatkową analizą cienkiego przekroju przez ludzki cortex. Dla porównania – the power spectral density of clouds, tree branches, and plasma and water turbulence are shown. Źródło: The Strange Similarity of Neuron and Galaxy Networks; by Franco Vazza & Alberto Feletti.

Ilustracja 4. Rozkład fluktuacji jako funkcja skali przestrzennej dla map z ilustracji 2, z dodatkową analizą cienkiego przekroju przez ludzką korę mózgową. Dla porównania pokazano podobne rozkłady dla chmur, gałęzi drze oraz ruchów turbulentnych w wodzie i plazmie. Źródło: The Strange Similarity of Neuron and Galaxy Networks; by Franco Vazza & Alberto Feletti.

Obliczenia dla pojemności pamięci mózgu, oparte na najnowszych wynikach mapowania sieci połączeń mózgowych i Sieci Kosmicznej, pokazują również imponujące podobieństwo. W swoich obliczeniach Franco szacuje pojemność pamięci Kosmicznej Sieci na około 10 petabajtów (10¹⁶ bajta).

Z badań nad siecią połączeń w mózgu wynika, że jego całkowita pojemność pamięci to około 2,5 petabajta. Najprawdopodobniej rachunek ten jest zaniżony, ponieważ zakłada się w nim, że pojemność ta jest funkcją same sieci połączeń synaptycznych i nie uwzględnia przetwarzania pamięci subsynaptycznej i subkomórkowej. Vazza i Feletti sądzą jednak, że obliczenia wskazują na duże podobieństwo w pojemności potencjalnej pamięci sieci galaktycznej i sieci neuronowej. Oznaczałoby to, że cały zbiór informacji przechowywanych w ludzkim mózgu mógłby być również zakodowany w rozkładzie galaktyk we Wszechświecie. I odwrotnie, urządzenie obliczeniowe wyposażone w pamięć równą pamięci ludzkiego mózgu mogłoby odtworzyć złożoność Wszechświata w jego największych skalach.

Czytaj więcej: