宇宙神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：高度相似的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與宇宙星系

作者：羅輯科學(xué)   
      一項(xiàng)最新的研究表明人類大腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和宇宙的星系網(wǎng)絡(luò)之間存在驚人的結(jié)構(gòu)相似性！這項(xiàng)研究結(jié)果由意大利天體物理學(xué)家Franco Vazza和神經(jīng)外科醫(yī)生Alberto Feletti以題為“The Quantitative Comparison Between the Neuronal Network and the Cosmic Web”的論文發(fā)表在《Frontiers in Physics》上。
      宇宙和人腦的一個(gè)迷人的怪異之處就是，在極度不同的背景中能發(fā)現(xiàn)相似的結(jié)構(gòu)和模式：黃金螺旋結(jié)構(gòu)（the Golden Spiral）既可以在人類耳蝸中存在，也可以在螺旋星系中出現(xiàn)；靜脈的分形幾何形狀和閃電顯出的分支的形狀極為類似。   
      在這項(xiàng)大膽的新嘗試性實(shí)驗(yàn)中，天體物理學(xué)家Franco Vazza和神經(jīng)外科醫(yī)生Alberto Feletti把這種相似性提高了一個(gè)檔次，他們利用定量分析來對(duì)比自然屆中兩個(gè)最復(fù)雜的系統(tǒng)：人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和宇宙中星系之間的宇宙網(wǎng)絡(luò)。
       這其實(shí)并不是一個(gè)奇特的對(duì)比，早在之前人們到處分享的一張圖像，展示出一個(gè)人類神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)模擬的星系簇并排在一起，兩者看上去驚人的相似。Franco Vazza和Alberto Feletti在過去幾年時(shí)間內(nèi)進(jìn)行了相關(guān)研究，以確定這些相似性是否只是表面上看起來那樣。
 
      在之前的《Nautilus Quarterly》上他們解釋道：“星系可以分組到巨大的結(jié)構(gòu)之中（這些結(jié)構(gòu)叫做簇、超級(jí)簇和微絲），這些結(jié)構(gòu)可以延展達(dá)數(shù)億光年。這些星系結(jié)構(gòu)的邊界和臨近的空間被叫做宇宙間的虛空，這可以是極其復(fù)雜的。我們已經(jīng)預(yù)測(cè)，宇宙虛空和微絲的邊界是我們宇宙中最復(fù)雜的東西之一，這是由描述它所用的信息的比特?cái)?shù)來度量的。這就讓我們想到：它比大腦更為復(fù)雜嗎？”這兩個(gè)結(jié)構(gòu)相差27個(gè)數(shù)量級(jí)（that's a billion billion billion）。        該團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果暗示，雖然驅(qū)動(dòng)宇宙結(jié)構(gòu)和人腦結(jié)構(gòu)的物理過程極為不同，但是它們可以導(dǎo)致相似的復(fù)雜水平。開始的工作就是計(jì)算出兩者之間的相似性，人類大腦大約有1000億個(gè)神經(jīng)元，可見的宇宙之網(wǎng)包含1000億個(gè)星系，這是一個(gè)方面。兩個(gè)系統(tǒng)都被安置于良好定義的網(wǎng)絡(luò)中，都有節(jié)點(diǎn)（大腦中是神經(jīng)元，宇宙中是星系），都通過微絲連結(jié)。
       神經(jīng)元和星系都有一個(gè)典型的半徑規(guī)模，即微絲的長(zhǎng)度的一小部分。每一個(gè)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)之間信息和能量的流動(dòng)只占每個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)能組成的25%左右。另外，在大腦的構(gòu)成和宇宙的構(gòu)成之間也有相似之處。大腦中有約75%的水。宇宙中有約75%的暗能量。這兩者都似乎是被動(dòng)的物質(zhì)，它們都彌漫于對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)，并且都只扮演內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間間接的角色。  
       定義了這些相似性，這項(xiàng)研究接下來對(duì)兩者進(jìn)行了基于圖像的量化對(duì)比。他們獲得了在不同放大率下的人類大腦皮層的切片，以與模擬出的宇宙之網(wǎng)進(jìn)行對(duì)比。他們所尋找的是兩者在物質(zhì)密度波動(dòng)之間的相似處。他們發(fā)現(xiàn)，在兩個(gè)系統(tǒng)中，物質(zhì)密度的波動(dòng)的相對(duì)分布驚人地相似——雖然是在極為不同的規(guī)模規(guī)模上。
 
     “我們計(jì)算了兩個(gè)系統(tǒng)的光譜密度（spectral density），這是一種在宇宙學(xué)中常用的，用來研究星系空間分布的技術(shù) ，”Vazza說。這些分析表明，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，從1微米到0.1毫米的尺度上，物質(zhì)密度波動(dòng)的分布與，宇宙之網(wǎng)中物質(zhì)的分布的級(jí)數(shù)是相同的，當(dāng)然在更大的，從500萬到5億光年的尺度上。
       該團(tuán)隊(duì)還研究了其他形態(tài)學(xué)上的特點(diǎn)，例如每個(gè)節(jié)點(diǎn)間連結(jié)的微絲的數(shù)目。對(duì)宇宙之網(wǎng)而言，基于3800到4700節(jié)點(diǎn)的樣本來看，每個(gè)節(jié)點(diǎn)平均有3.8到4.1根微絲相連接。人類大腦皮層，在1800到2000節(jié)點(diǎn)的樣本上看，每個(gè)節(jié)點(diǎn)平均有4.6到5.4個(gè)絲狀連結(jié)。
        Vazza和Feletti的研究說明“這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的連結(jié)遵循相似的物理原則而演化，顯而易見，這兩個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)之間表現(xiàn)出更多的相似性。”很多類似研究已經(jīng)表明：人類大腦和宇宙之間的關(guān)系遠(yuǎn)比看上去更為復(fù)雜；或許宇宙本身可能就是一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)！
 
參考文獻(xiàn)
1、The Quantitative Comparison Between the Neuronal Network and the Cosmic Web. 
Frontiers in Physics(2020). 
2、The world as a neural network.   
arXiv:2008.01540（2020）.