大腦網絡和宇宙網絡的驚人相似性

2020-12-24 集智俱樂部

導語

一手顯微鏡，一手望遠鏡，會觀察到什麼驚人現象嗎？當腦切片中的神經網絡被放大到40倍以後，1微米-0.1毫米尺度上的人腦神經網絡和500萬光年-5億光年尺度上的宇宙網呈現出了相似之處……

小鼠腦神經元分布（左）和宇宙間物質分布（右）

自然中什麼系統最為複雜？是大腦和宇宙。

在近期的發表於 Frontiers in Physics 的一篇論文中，來自義大利的學者通過對比人腦中神經元網絡和宇宙中的星系網絡，發現它們之間驚人的相似性。進而引發更深刻的推論：兩個複雜系統演化出的結構相似，那麼儘管兩者的尺度和形成過程完全不同，但它們自組織的過程可能由相似的網絡動力學驅動。

論文題目：

The Quantitative Comparison Between the Neuronal Network and the Cosmic Web

論文地址：

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphy.2020.525731/full


人腦是一個複雜的時空多尺度結構，分子、細胞和神經元現象共存。它可以被建模為一個多層網絡，也就是所謂大腦連接組：近鄰的神經元連接形成局部結構，不同的局部結構之間形成連接實現認知功能。揭開人腦連接組的結構和功能之謎，並明確膠質細胞和微環境的作用，是如今神經科學主要的挑戰。

而隨著暗物質和暗能量模型被物理學家廣泛接受，宇宙也可以被建模為網絡。目前對宇宙網絡結構形成過程具有較好解釋的，是ΛCDM暗物質模型。由於宇宙間物質密度的差異被引力作用放大，形成了無數的星系團，這些星系團物質形成了一個大型的網絡。

從大腦網絡到宇宙網絡

人腦和宇宙這兩個系統中的相互作用完全不同，但一手顯微鏡，一手望遠鏡，對神經元網絡和宇宙網絡之間相似性的觀察和猜測已有很多。在這篇論文中，研究者根據對腦組織的光學顯微鏡觀測和高解析度宇宙網絡圖像，藉助網絡分析方法，對兩者的相似性進行了定量分析。

首先，大腦網絡和宇宙網絡，在規模上有巨大差異，在特定尺度上才具有相似性。腦神經網絡目前認為有數百億個神經元細胞組成。而宇宙網絡中目前觀測到的星系超過了1000億個。

另外，大腦的神經網絡中和宇宙網絡中，都只有少量的物質構成了網絡。宇宙網路的稀疏比較容易理解，在巨大的星系之間存在著大量的空洞，大約有70%質量是由暗物質構成的。而人腦中也同樣如此，作為一個生物器官，最主要的組成成份就是水，在人腦中神經細胞僅佔25%，而大約有75%是水份。在這一點上來說，「腦子裡都是水」也有一定的科學依據。

除了組成成份以外，宇宙與人腦的相似性，可能是特定尺度上才有的。

不同尺度下的網絡結構對比

小腦切片（上層）、大腦皮層切片（中層）和宇宙網局部圖（下層）的對比圖

我們從數據集中看到網絡結構如上圖所示，如果僅僅從圖片來看我們並沒有看到太大的相似性，在宇宙中，大密度的星系星團佔據著主導的地位，而在人腦的神經網絡中，神經纖維則會產生更加均勻細膩的小模式。不過，當研究者進一步調高顯微鏡的放大倍數時，就可以在腦切片中看到一些與宇宙網絡的相似之處了。

被放大了40倍的腦切片神經網絡結構與宇宙網絡的對比

從上圖我們可以發現，當腦切片中的神經網絡被放大到40倍以後，1微米-0.1毫米尺度上的人腦神經網絡和500萬光年-5億光年尺度上的宇宙網呈現出了相似之處。

接著，研究者計算了兩種網絡中的特徵參數——節點的平均連接度數與中心節點的聚集係數。這些網絡結構的特徵參數也體現出了一致性。雖然星系和腦神經網絡是兩種完全不同的物體，但其網絡的連通性卻遵循著類似的物理規律。


劉培源、Leo | 作者

鄧一雪 | 編輯

商務合作及投稿轉載｜swarma@swarma.org
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