Eines dieser Bilder ist das Gehirn, das andere das Universum. Können Sie sagen, welches welches ist?
„Wissenschaft ist nicht nur mit Spiritualität vereinbar; es ist eine tiefe Quelle der Spiritualität. Wenn wir unseren Platz in einer Unermesslichkeit von Lichtjahren und im Lauf der Jahrhunderte erkennen, wenn wir die Komplexität, Schönheit und Subtilität des Lebens begreifen, dann ist dieses aufsteigende Gefühl, dieses Gefühl von Hochgefühl und Demut kombiniert, sicherlich spirituell.“ –Carl Sagan „Die von Dämonen heimgesuchte Welt.“
Als ich etwas über das Universum lernte, habe ich spirituelle Momente gespürt, wie Sagan sie beschreibt, da ich meine Verbindung zu dem größeren Alles besser verstehe. Als ich zum ersten Mal erfuhr, dass ich buchstäblich aus der Asche der Sterne gemacht wurde – die Atome in meinem Körper verteilten sich durch Supernovae in den ewigen Äther. Ein weiterer spiritueller Moment war, dieses Bild zum ersten Mal zu sehen:
Hippocampus-Mausneuron mit synaptischen Verbindungen (gelb), mit freundlicher Genehmigung von Lisa Boulanger, from https://www.eurekalert.org/multimedia/pub/81261.php . Der grüne zentrale Zellkörper ist &agr; 10 µm Durchmesser. B. Kosmisches Netz (Springel et al., 2005). Maßstabsbalken = 31,25 Mpc/h oder 1,4 × 1024 m. Gegenüberstellung inspiriert von Lima (2009).
Ein Neuron im Gehirn, das Galaxienhaufen und ihren verbundenen Filamenten aus Materie und Dunkler Materie gegenübersteht. Die Ähnlichkeit ist sofort klar. Die Implikation? Vielleicht haben Sie ein ganzes Universum in Ihrem Kopf. Aber die Ähnlichkeit zwischen den Bildern könnte einfach ein Fall sein von Apophenie – Ähnlichkeit wahrnehmen, wo keine wirklich existiert. Wie können sich diese beiden Dinge angesichts des großen Maßstabsunterschieds ähneln? Aber was wäre, wenn über die visuelle Ähnlichkeit zwischen den Netzwerken von Neuronen im Gehirn und den Galaxiennetzen im Kosmos hinaus eine objektive Messung vergleichen könnte, wie ähnlich sie wirklich sind? Das wollten Franco Vazza (Astrophysiker an der Universität Bologna) und Alberto Feletti (Neurochirurg an der Universität Verona) herausfinden, indem sie ihre beiden Disziplinen für eine Veröffentlichung in „Grenzen der Physik“.
Eine intergalaktische Verbindung
Das menschliche Gehirn ist buchstäblich eine der komplexesten Strukturen des Universums – die selbst die größte aller Komplexität ist. Ihr Gehirn hat etwa 80 Milliarden Neuronen – die Zellen, die die Sinneseindrücke verarbeiten und über das Nervensystem Signale an Ihren Körper senden. Neuronen sind auch vernetzt und kommunizieren miteinander über Verbindungen, die Axionen und Dendriten genannt werden. Es gibt in der Größenordnung von 100 Billionen Verbindungen zwischen Neuronen, die das neuronale Netzwerk bilden, das dich erschafft.
NGC 6888, der „Halbmondnebel“, soll einem riesigen Gehirn im Weltraum ähneln
- Patrick Hsieh CC BY-SA 4.0
Auch das Universum ist vernetzt. Wir können uns den Raum zwar als Objekte vorstellen, die durch riesige Flächen von … nun … Raum getrennt sind, aber das ist nicht ganz der Fall. Das Universum, das wir mit unserer wissenschaftlichen Ausrüstung sehen, wird als „beobachtbares Universum“ bezeichnet, hat einen Durchmesser von etwa 90 MRD. Lichtjahren und enthält in der Größenordnung von Hunderten von Milliarden bis einigen Billionen Galaxien. Diese Galaxien, wie unsere Milchstraße, Ansammlungen von Milliarden von Sternen, sind selbst in Galaxienhaufen gruppiert. Unsere Milchstraße ist Teil der „Lokalen Gruppe“, die die benachbarten Galaxien Andromeda und Triangulum sowie 50 weitere Galaxien umfasst. Diese Galaxien sind wiederum Teil einer größeren Gruppe namens Virgo Supercluster. Der Raum zwischen Gruppen und Clustern ist nicht leer, sondern beherbergt Verbindungsfilamente sowohl von gewöhnlichen als auch Dunkle Materie die sich über Millionen von Lichtjahren erstrecken. Auf diese Weise kann man sich das Universum als ein riesiges Netzwerk von Galaxienhaufen vorstellen, die alle ähnlich wie neuronale Netzwerke im Gehirn miteinander verbunden sind. Dieses Netzwerk heißt das Kosmisches Netz .
Eine Simulation der Entstehung des Kosmischen Netzes vom Beginn der Zeit bis zur Gegenwart
Ein Universum in einem Universum
Die Forschung, um quantifizierbare Ähnlichkeiten zwischen beiden Netzwerken zu finden, entstand in einer Partnerschaft zwischen Neurowissenschaften und Astrophysik. Mit Techniken und Werkzeugen aus beiden Disziplinen untersuchten Vazz und Feletti diese beiden Netzwerke, um quantifizierbare Ähnlichkeiten jenseits der wahrgenommenen visuellen Ähnlichkeit zu finden. Waren diese Netzwerke vergleichbar und wenn ja, was bedeutet das?
Die Forscher verwendeten 4 Mikrometer dicke Scheiben des menschlichen Kortex – der äußeren Schicht des Gehirns, die für die Verarbeitung von Sprache, Sinnesinformationen, Denken, Gedächtnis und Bewusstsein verantwortlich ist. Diese wurden mit 25 Megaparsec (1 Parsec = ca. 3,26 Lichtjahre) dicken „Scheiben“ des Universums verglichen, die aus einem Computer simulierten Volumen von 1 Million Kubik Megaparsec Raum genommen wurden. Die Schichten des Gehirns und des Universums sind in der Dicke relativ vergleichbar, wenn man davon ausgeht, dass beide 27 Größenordnungen in der Größe voneinander abweichen.
Kosmische Web- und Gehirnproben bei 4-facher, 10-facher und 40-facher Vergrößerung
- Vazza F und Feletti A (2020)
Links: Kleinhirnschnitt mit 40-facher Vergrößerung, elektronenmikroskopisch aufgenommen (Dr. E. Zunarelli, Universitätsklinikum Modena); rechts: Ausschnitt einer kosmologischen Simulation mit einer Ausdehnung von 300 Millionen Lichtjahren auf jeder Seite (Vazza et al. 2019 A&A).
Je nach Maßstab wurden die Scheiben untersucht – die Ähnlichkeit im Aufbau war nicht immer erkennbar. Aber bei 40-facher Vergrößerung im Hirngewebe begannen die Forscher Ähnlichkeiten in der Struktur zu erkennen. 40-fache Vergrößerung entspricht einer Skala von 0,01-1,6 mm im Gehirn und 1-100 Megaparsec im Universum. Hier erscheint das neuronale Netzwerk wie die Galaxienhaufen. Darüber hinaus kann die Ähnlichkeit der Netzwerke objektiv gemessen und mit zwei Techniken verglichen werden. Die erste ist die „Network Degree Centrality“, die die Länge der Netzwerkverbindungen und den Konnektivitätsgrad in einem gegebenen Netzwerk misst. Der Kern oder das Zentrum eines Neurons hat einen viel kleineren Radius als die Länge der verbindenden Axionen und Dendriten. Ebenso haben Galaxienhaufen einen viel kleineren Radius als die Länge der sich verbindenden Filamente. Die zweite Methode, um beide Netzwerke objektiv zu vergleichen, ist der „Clustering-Koeffizient“, der die Menge an Struktur neben jedem Verbindungsknoten (Neuron- oder Galaxienhaufen) quantifiziert und diese Struktur mit einem zufälligen Punkt innerhalb des Netzwerks vergleicht. Dieser Vergleich kontrastiert Organisation vs. Zufälligkeit in beiden Netzwerken.
Vazza F und Feletti A (2020) Abbildung 3: „Obere Tafeln: gezoomte Details der rekonstruierten Verbindungen zwischen Knoten für drei Beispiele von Netzwerken in unserer Stichprobe (blaue Linien, überlagert mit den Dichtekontrastkarten). Unterseiten: Verteilungen des Clustering-Koeffizienten und der Gradzentralität für alle Schichten“
„Wie groß ist das Universum“ – Fraser Cain Universe Today
Bei der Anwendung der Techniken auf diesen Skalen fanden Vazz und Feletti „bemerkenswerte“ Ähnlichkeiten zwischen dem Gehirn und dem Universum. Sie fanden auch heraus, dass die Netzwerke einander ähnlicher waren als andere biologische und physikalische Strukturen, einschließlich Baumästen, der Dynamik der Wolkenbildung oder Wasserturbulenzen. Diese anderen Strukturen sind fraktaler Natur. Fraktale Muster wiederholen sich von selbst und sehen gleich aus, unabhängig davon, in welchem Maßstab Sie sie beobachten. Im Gegensatz dazu sieht das Universum auf kleineren als auf größeren Skalen völlig anders aus. Galaxien und Sonnensysteme ähneln nicht dem Kosmischen Netz, das sie erschaffen. Auch das Gehirn ähnelt nicht mehr dem neuronalen Netz, wenn es auf verschiedenen Skalen betrachtet wird. Die Skalierung selbst könnte für die Schaffung dieser Strukturen im Hinblick auf ihre Selbstorganisation wichtig sein.
Die Forscher schließen ihre Ergebnisse„Weist darauf hin, dass ähnliche Netzwerkkonfigurationen aus dem Zusammenspiel völlig unterschiedlicher physikalischer Prozesse entstehen können, was zu ähnlichen Komplexitäts- und Selbstorganisationsgraden führt, trotz der dramatischen Unterschiede in den räumlichen Maßstäben dieser beiden Systeme.“Mit anderen Worten, Netzwerke wie das Gehirn und das Universum können eine ähnliche Struktur aufweisen, während sie sich in ihrer Größe völlig unterscheiden und durch unterschiedliche Prozesse (Schwerkraft vs. Biologie) gebildet werden. Es ist jedoch möglich, dass sich beides auf ähnliche Weise entwickelt und wächst.
Dieser „Mandelbrot-Zoom“ ist ein fraktales Muster, das unabhängig von der beobachteten Skala ähnlich aussieht, im Gegensatz zum Gehirn und Universum, die auf verschiedenen Skalen sehr unterschiedlich erscheinen
Die Forscher stellten zwei weitere interessante Ähnlichkeiten zwischen dem Gehirn und dem Cosmic Web fest. Die erste waren die Zusammensetzungsverhältnisse. Das Gehirn besteht zu 77% aus Wasser, während das Cosmic Web zu etwa 73% aus Wasser besteht. dunkle Energie . Wasser und dunkle Energie sind nicht Teil des Netzwerks selbst, sondern gelten als „passives Material“ oder passive Energie. Das Vorhandensein und das Verhältnis von passivem Material/Energie könnten für die Bildung dieser Netzwerke von Bedeutung sein. Eine zweite faszinierende Ähnlichkeit besteht darin, dass die Menge an Computerdaten, die erforderlich ist, um die simulierten Universumsmodelle abzubilden, mit den theoretischen Speichergrenzen des menschlichen Gehirns vergleichbar ist. Zwischen 1-10 Petabyte (1 Petabyte = 1000 Terrabyte) an Daten werden benötigt, um die Entwicklung des beobachtbaren Universums in einer Größenordnung zu simulieren, in der das kosmische Netz sichtbar wird. Schätzungen über die Gesamtspeicherkapazität des menschlichen Gehirns beträgt etwa 2,5 Petabyte. Ein Mensch könnte dann theoretisch einen guten Teil der Struktur des beobachtbaren Universums speichern … in seinem Gehirn. Oder, was noch erstaunlicher ist, das Cosmic Web könnte theoretisch die Daten eines ganzen Lebens menschlicher Erfahrungen speichern.
Das Hubble-Bild „eXtreme Deep Field“ zeigt etwa 5.500 der
entferntesten Galaxien, die jemals abgebildet wurden. – NASA/ESA
Neben Ähnlichkeiten gibt es Unterschiede zwischen dem Cosmic Web und dem Gehirn. Während die verwendeten Gehirnproben aus dem Kortex stammten, ist das gesamte Gehirn nicht einheitlich. Verschiedene Teile des Gehirns sind für unterschiedliche Zwecke strukturiert, während ein Hauptmerkmal des Universums seine Einheitlichkeit in fast alle Richtungen ist. Verbindungen zwischen Neuronen im Gehirn dienen der Übertragung von Sinnesinformationen, während Verbindungen im Universum allein Energie und Materie übertragen. Vazz und Feletti hoffen, dass ihre Forschung die Entwicklung leistungsfähigerer Algorithmen anregt, um noch mehr Ähnlichkeiten zwischen dem Gehirn und dem Universum zu entdecken. Vielleicht lernen wir die Bedingungen kennen, die dazu führen, dass sich zwei aus völlig unterschiedlichen Prozessen entstandene Netzwerke so stark ähneln.
Wir haben Carl Sagan gehört beschreiben, wie unser Körper sind buchstäblich aus Sternen gemacht. Jetzt beginnen wir zu verstehen, dass unser Gehirn auch so strukturiert sein kann. Ein ganzes Universum von Verbindungen ist in deinem Kopf – ein Universum in einem Universum – und eines ist in der Lage, das andere zu erreichen, das es hervorgebracht hat. Milliarden von Neuronen berühren Milliarden von Sternen – sicherlich spirituell.
Mehr zu erkunden:
Die tatsächlichen simulierten Universumsbilder, die in der Forschung verwendet wurden: https://cosmosimfrazza.myfreesites.net/cosmic-web-and-brain-network-datasets
Ähnelt das menschliche Gehirn dem Universum? | EurekAlert! Wissenschaftsnachrichten
Wie oben wie unten Kunstausstellung
Wie Ihr Gehirn wie das kosmische Netz ist (nautil.us)
Ethan fragen: Ist das Universum selbst lebendig? (forbes.com)
Wie groß ist das Universum? – Universum heute
[astro-ph/9512141] Wie Filamente in das kosmische Netz eingewebt werden (arxiv.org)
