Воспоминания вашей жизни, в принципе, могут храниться в структуре Вселенной.
Кристоф Кох, ведущий исследователь сознания и человеческого мозга, назвал мозг “самым сложным объектом в известной нам Вселенной”. Нетрудно понять, почему это так – сотня миллиардов нейронов и сотня триллионов связей делают мозг головокружительно сложным объектом.
Но во Вселенной есть множество других сложных объектов. Например, галактики могут объединяться в огромные структуры (называемые скоплениями, суперкластерами и нитями), которые простираются на сотни миллионов световых лет. Границы между этими структурами и соседними участками пустого пространства, называемыми космическими пустотами, могут быть чрезвычайно сложными. Гравитация разгоняет материю на этих границах до скоростей в тысячи километров в секунду, создавая ударные волны и турбулентность в межгалактических газах. Мы предположили, что граница между пустотой и нитями – один из самых сложных регионов Вселенной, если судить по количеству битов информации, необходимых для ее описания.
Это заставило нас задуматься: а что сложнее – Вселенная или мозг?
Поэтому мы – астрофизик и нейробиолог – объединили усилия, чтобы количественно сравнить сложность галактических сетей и сетей нейронов. Первые результаты нашего сравнения оказались поистине удивительны: похожи не только сложность мозга и космической сети, но и их структуры. Вселенная может быть самоподобной на масштабах, отличающихся друг от друга в миллиарды миллиардов раз.
Сравнивать мозг и скопления галактик – задача непростая. Во-первых, она требует работы с данными, полученными совершенно разными способами: телескопы и численное моделирование – с одной стороны, электронная микроскопия, иммуногистохимия и функциональный магнитный резонанс – с другой.
Это также требует от нас рассмотрения кардинально разных масштабов: вся космическая паутина – крупномасштабная структура, образованная всеми галактиками Вселенной, – простирается как минимум на несколько десятков миллиардов световых лет. Это на 27 порядков больше, чем человеческий мозг. Кроме того, одна из этих галактик является домом для миллиардов человеческих мозгов. Если космическая сеть сложна настолько, насколько сложна любая из ее составных частей, мы могли бы наивно заключить, что она должна быть, по крайней мере, такой же сложной, как и мозг.
Да и концепция возникновения делает такое сравнение возможным. Многие природные явления не одинаково сложны во всех масштабах. Величественная сеть космической паутины становится очевидной только при взгляде на все небо. При меньших масштабах, когда материя замкнута в звезды, планеты и (возможно) облака темной материи, эта структура незаметна Развивающейся галактике нет дела до танца электронных орбиталей внутри атомов, а электроны движутся вокруг своих ядер, не обращая внимания на галактическую систему, в которой они находятся.
Таким образом, Вселенная содержит множество систем, вложенных в системы, с небольшим или нулевым взаимодействием между различными масштабами. Такое разделение размеров позволяет нам изучать физические явления по мере их возникновения в собственных естественных пропорциях.
Строительными блоками космической паутины являются самогравитирующие гало звезд, газа и темной материи (существование которой еще не доказано окончательно). В общей сложности число галактик в пределах наблюдаемой нами Вселенной должно составлять порядка 100 миллиардов. Баланс между ускоряющимся расширением ткани пространства-времени и притяжением самогравитации (гравитационного взаимодействия между разными частями системы) придает этой сети паутинообразный вид. Обычная и темная материя уплотняются в нити, похожие на струны, а скопления галактик формируются в местах пересечения этих нитей, оставляя большую часть оставшегося объема пространства практически пустой. Получившаяся структура смутно напоминает биологическую.
Прямая оценка количества клеток или нейронов в человеческом мозге не была доступна в литературе до недавнего времени. Корковое серое вещество (составляющее более 80 процентов массы мозга) содержит около 6 миллиардов нейронов (19 процентов нейронов мозга) и почти 9 миллиардов ненейронных клеток. В мозжечке насчитывается около 69 миллиардов нейронов (80,2 процента нейронов мозга) и около 16 миллиардов ненейронных клеток. Интересно, что общее количество нейронов в человеческом мозге совпадает с количеством галактик в наблюдаемой Вселенной.
Глаз сразу улавливает некоторое сходство между изображениями космической паутины и нейронной сетью мозга. Мы продемонстрировали смоделированное распределение космической материи в срезе шириной 1 миллиард световых лет, а также реальное изображение среза мозжечка человека толщиной 4 микрометра (мкм).
Является ли кажущееся сходство просто человеческой склонностью к восприятию значимых закономерностей в случайных данных (апофения)? Похоже, что нет: статистический анализ показывает, что эти системы действительно имеют количественное сходство. Исследователи регулярно используют технику, называемую анализом спектра мощности, для изучения крупномасштабного распределения галактик. Спектр мощности изображения измеряет силу структурных флуктуаций, относящихся к определенному пространственному масштабу. Другими словами, он говорит нам о том, сколько высокочастотных и низкочастотных нот составляют своеобразную пространственную мелодию каждого изображения.
Вырисовывается потрясающая картина: относительное распределение флуктуаций в двух сетях (Вселенной и мозга) удивительно похоже, причем на несколько порядков величины.
Распределение флуктуаций в мозжечке на масштабе 0,1-1 мм напоминает распределение галактик на сотни миллиардов световых лет. На самых малых масштабах, доступных микроскопическому наблюдению (около 10 мкм), морфология коры головного мозга более близка к морфологии галактик на масштабе в несколько сотен тысяч световых лет.
Для сравнения, спектры мощности других сложных систем (включая проецируемые изображения облаков, ветвей деревьев, турбулентности плазмы и воды) совершенно не похожи на космическую паутину. Спектры мощности перечисленных систем демонстрируют более выраженную зависимость от масштаба, что может быть свидетельством их фрактальной природы. Особенно ярко это проявляется в распределении ветвей на деревьях и в структуре облаков, которые, как известно, являются фрактальными системами с самоподобием в широком диапазоне масштабов. С другой стороны, для сложных сетей космической паутины и человеческого мозга наблюдаемое поведение не является фрактальным, что можно интерпретировать как свидетельство возникновения масштабно-зависимых, самоорганизующихся структур.
Но, каким бы замечательным ни было сравнение спектров мощности, оно не говорит нам о том, одинаково ли сложны эти две системы. Практический способ оценить сложность сети – измерить, насколько сложно предсказать ее поведение. Количественно это можно определить, подсчитав, сколько бит информации необходимо для создания минимальной компьютерной программы, способной выполнить такое предсказание.
Один из нас недавно измерил, насколько сложно предсказать эволюцию космической сети, основываясь на цифровой эволюции смоделированной Вселенной. Согласно этой оценке, для описания эволюции всей наблюдаемой Вселенной в том масштабе, в котором возникает ее самоорганизация (или, по крайней мере, ее смоделированного аналога), необходимо от 1 до 10 петабайт данных (1 петабайт – 1024 терабайта).
Оценить сложность человеческого мозга гораздо сложнее, поскольку глобальное моделирование мозга до сих пор остается нерешенной задачей. Однако мы можем утверждать, что сложность пропорциональна интеллекту и познанию. Основываясь на последнем анализе связности сети мозга, независимые исследования пришли к выводу, что общий объем памяти мозга взрослого человека должен составлять около 2,5 петабайт, что находится в диапазоне от 1-10 петабайт, оцененного для космической паутины!
Грубо говоря, такое сходство в объемах памяти и Вселенной означает, что весь объем информации, хранящийся в человеческом мозге (например, весь жизненный опыт человека), может быть закодирован и в распределении галактик в нашей Вселенной. Или, наоборот, вычислительное устройство с объемом памяти человеческого мозга может воспроизвести сложность, демонстрируемую Вселенной в ее крупнейших масштабах.
Действительно примечательный факт: космическая паутина больше похожа на человеческий мозг, чем на внутреннюю часть галактики, а сеть нейронов больше похожа на космическую сеть, чем на внутреннюю часть нейрона. Несмотря на чрезвычайные различия в субстрате, физических механизмах и размерах, нейронная сеть человека и космическая сеть галактик, если рассматривать их с помощью инструментов теории информации, поразительно схожи.
Говорит ли нам этот факт что-то глубинное о физике эмерджентных явлений в этих двух системах? Возможно. Но мы должны отнестись к этим выводам с долей скептицизма. Наш анализ был ограничен небольшими выборками, полученными с помощью совершенно разных методов измерения.
Кроме того, наш анализ не указывает на динамическое сходство между этими системами. Решающей проверкой станет модель того, как информация распространяется в этих двух системах, в разных пространственных масштабах и во времени. Для космической паутины это уже возможно с помощью численного моделирования. Что касается человеческого мозга, нам приходится полагаться на более глобальные оценки, обычно получаемые из меньших частей, которые затем масштабируются в сторону увеличения. В ближайшем будущем мы намерены проверить эти концепции в более сложных численных моделях человеческого мозга.
Такие программы, как Human Brain Project, призванная смоделировать всю нейронную сеть человека, и Square Kilometer Array, крупнейший проект в области радиоастрономии, помогут нам выяснить некоторые из этих деталей и понять, является ли Вселенная еще более удивительной, чем мы думали.
Франко Вацца – стипендиат программы Марии Кюри Склодовской в рамках Горизонта 2020 в Институте радиоастрономии, INAF, Болонья, Италия.
Альберто Фелетти – сотрудник отделения нейрохирургии больницы NOCSAE, Azienda Ospedaliero-Universitaria di Modena, Италия.
Читайте также: Колонии муравьев очень похожи на нейронную сеть