의식과 인간의 뇌에 관한 주요 연구원 인 크리스토프 코흐 (Christof Koch)는 뇌를“알려진 우주에서 가장 복잡한 대상”이라고 불렀다. 이것이 사실인지 알기가 어렵지 않습니다. 100 억 개의 뉴런과 10 조의 연결이있는 뇌는 현기증이 풍부한 복잡한 대상입니다.
그러나 우주에는 다른 복잡한 대상이 많이 있습니다. 예를 들어, 은하는 수억 년 동안 뻗어있는 막대한 구조 (클러스터, 슈퍼 클러스터 및 필라멘트)로 그룹화 할 수 있습니다. 이 구조물과 코스마크 공극이라는 빈 공간의 주변 스트레치 사이의 경계는 매우 복잡 할 수 있습니다. 중력은 이러한 경계에서 초당 수천 킬로미터의 속도로 물질을 가속화하여 은하계 가스에서 충격파와 난기류를 만듭니다. 우리는 void-filament 경계가 그것을 설명하는 데 걸리는 정보의 비트 수로 측정 된 우주의 가장 복잡한 볼륨 중 하나라고 예측했습니다.
.이것은 우리가 생각하게 만들었습니다 :그것은 뇌보다 더 복잡합니까?
그래서 우리는 천체 물리학 주의자이자 신경 과학자가 갤럭시 네트워크와 신경 네트워크의 복잡성을 정량적으로 비교하기 위해 힘을 입었다. 우리의 비교의 첫 번째 결과는 정말 놀랍습니다. 뇌와 우주 웹의 복잡성은 실제로 유사 할뿐만 아니라 구조도 마찬가지입니다. 우주는 규모가 1 억 10 억 달러에 달하는 규모에 걸쳐 자립 할 수 있습니다.
은하의 뇌와 클러스터를 비교하는 작업은 어려운 일입니다. 예를 들어, 한편으로는 망원경 및 수치 시뮬레이션, 전자 현미경, 면역 조직 화학 및 다른 한편으로는 기능적 자기 공명을 처리해야합니다.
또한 우리는 크게 다른 척도를 고려해야합니다. 우주 웹 전체-모든 우주의 은하에 의해 추적 된 대규모 구조는 적어도 수십억 광년에 걸쳐 뒷받침됩니다. 이것은 인간 뇌보다 27 배 더 큰 27 배입니다. 또한,이 은하 중 하나에는 수십억의 실제 뇌가 있습니다. 우주 웹이 최소한 구성 부분만큼 복잡하다면, 우리는 그것이 뇌만큼 복잡해야한다고 순진하게 결론을 내릴 수 있습니다.
그러나 출현의 개념은 비교를 가능하게한다. 많은 자연 현상은 모든 규모에서 똑같이 복잡하지 않습니다. 우주 웹의 장엄한 네트워크는 하늘이 가장 많은 정도로 조사 될 때만 분명해집니다. 작은 비늘에서는 별, 행성 및 암흑 물질 구름에 물질이 잠겨 있어이 구조는 손실됩니다. 진화하는 은하는 원자 내에서 전자 궤도의 춤에 신경 쓰지 않으며, 전자는 그들이 거주하는 은하계에 관계없이 그들의 핵 주위로 움직입니다.
이런 식으로 우주에는 시스템에 중첩 된 많은 시스템이 포함되어 있으며, 다른 규모에 걸쳐 상호 작용이 거의 또는 전혀 없습니다. 이 척도 분리는 우리가 자신의 자연스런 규모로 나타날 때 물리적 현상을 연구 할 수있게합니다.
우주 웹의 빌딩 블록은 별, 가스 및 암흑 물질의 자체 중심 후광입니다 (존재는 아직 확실하게 입증되지 않았다). 전체적으로, 관찰 가능한 우주 내의 은하의 수는 1,000 억 달러에 달려 있어야합니다. 시공간 패브릭의 가속 확장과 자기 중력의 당기는 균형은이 네트워크에 거미줄과 같은 패턴을 제공합니다. 일반 및 암흑 물질은 끈과 같은 필라멘트로 압축되며, 필라멘트 교차로에서 은하 클러스터가 형성되어 나머지 볼륨의 대부분은 기본적으로 비어 있습니다. 결과 구조는 모호하게 생물학적으로 보입니다.
인간 뇌의 세포 또는 뉴런의 수에 대한 직접적인 추정치는 최근까지 문헌에서 이용할 수 없었습니다. 대뇌 피질의 회백질 (뇌 질량의 80 % 이상을 나타내는)은 약 60 억 개의 뉴런 (뇌 뉴런의 19 %)과 거의 90 억 개의 비 뉴런 세포를 함유하고 있습니다. 소뇌는 약 690 억 개의 뉴런 (뇌 뉴런의 80.2 %)과 약 160 억 비 뉴런 세포를 가지고 있습니다. 흥미롭게도, 인간 뇌의 총 뉴런 수는 관찰 가능한 우주의 은하 수의 같은 야구장에 속합니다.
눈은 우주 웹과 뇌의 이미지 사이에 약간의 유사성을 즉시 이해합니다. 그림 1에서 우리는 인간 소뇌를 통해 4 마이크로 미터 (µm)-두께의 슬라이스의 실제 이미지와 함께 10 억 개의 광년에 우주 물질의 시뮬레이션 된 분포를 보여줍니다.
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명백한 유사성은 무작위 데이터 (아포 페니아)에서 의미있는 패턴을 인식하는 인간의 경향일까요? 놀랍게도 대답은 아니오 인 것 같습니다. 통계 분석에 따르면 이러한 시스템이 실제로 정량적 유사성을 제시한다는 것을 보여줍니다. 연구원들은 정기적으로 전력 스펙트럼 분석이라는 기술을 사용하여 은하의 대규모 분포를 연구합니다. 이미지의 전력 스펙트럼은 특정 공간 스케일에 속하는 구조적 변동의 강도를 측정합니다. 다시 말해, 그것은 각 이미지의 독특한 공간 멜로디를 만드는 고주파 및 저주파 음표가 얼마나 많은지 알려줍니다.
.그림 2 (아래)의 전력 스펙트럼 그래프에서 놀라운 메시지가 나타납니다.
0.1-1 mm 척도에서 소뇌에서의 변동 분포는 수백억 광년의 은하 분포를 연상시킵니다. 미세한 관찰 (약 10 µm)에 이용 가능한 가장 작은 규모에서, 수십만 광년의 척도에서 은하 중 하나와 더 밀접하게 일치하는 것은 피질의 형태입니다.
이에 비해 다른 복잡한 시스템의 전력 스펙트럼 (구름, 나무 가지 및 플라즈마 및 물 난기류의 투영 된 이미지 포함)은 우주 웹과는 상당히 다릅니다. 이들 다른 시스템의 전력 스펙트럼은 스케일에 대한 가파른 의존성을 나타내며, 이는 프랙탈 특성의 표현 일 수있다. 이것은 나무와 구름 패턴의 가지 분포에 특히 인상적이며, 둘 다 다양한 규모에 걸쳐 자기 유사성을 가진 프랙탈과 같은 시스템으로 잘 알려져 있습니다. 반면에 우주 웹과 인간 뇌의 복잡한 네트워크의 경우, 관찰 된 행동은 프랙탈이 아니며, 이는 규모에 따른 자체 조직화 된 구조의 출현의 증거로 해석 될 수 있습니다.
전력 스펙트럼 비교만큼이나 두 시스템이 똑같이 복잡한 지 여부는 알려주지 않습니다. 네트워크의 복잡성을 추정하는 실질적인 방법은 행동을 예측하는 것이 얼마나 어려운지 측정하는 것입니다. 이것은 그러한 예측을 수행 할 수있는 가장 작은 컴퓨터 프로그램을 구축하는 데 필요한 정보의 수를 계산하여 정량화 될 수 있습니다.
우리 중 하나는 최근 시뮬레이션 된 우주의 디지털 진화를 기반으로 우주 네트워크가 어떻게 진화하는지 예측하는 것이 얼마나 어려운지 측정했습니다. 이 추정치는 자기 조직화가 나오는 규모 (또는 적어도 시뮬레이션 된 대응 물)에서 전체 관찰 가능한 우주의 진화를 설명하기 위해 약 1 ~ 10 개의 페타 바이트의 데이터가 필요하다는 것을 시사한다.
.뇌의 글로벌 시뮬레이션은 충족되지 않은 도전으로 남아 있기 때문에 인간 뇌의 복잡성을 추정하는 것은 훨씬 더 어렵다. 그러나 우리는 복잡성이 지능과인지에 비례하다고 주장 할 수 있습니다. 뇌 네트워크의 연결성에 대한 최신 분석을 바탕으로 독립적 인 연구는 성인 인간 뇌의 총 기억력이 우주 웹에 대해 추정 된 1-10 페타 바이트 범위에서 멀지 않은 약 2.5 페타 바이트 여야한다고 결론지었습니다.
.대략적으로 말하면, 메모리 용량의 이러한 유사성은 인간 뇌에 저장된 정보의 전신 (예 :사람의 전체 수명 경험)이 우리 우주에서 은하의 분포로 인코딩 될 수 있음을 의미합니다. 또는 반대로, 인간 뇌의 메모리 용량을 갖는 컴퓨팅 장치는 우주가 가장 큰 규모로 보여주는 복잡성을 재현 할 수 있습니다.
우주 웹이 은하의 내부보다 인간 뇌와 더 유사하다는 것은 정말 놀라운 사실입니다. 또는 뉴런 네트워크는 뉴런 몸체의 내부보다 우주 웹과 더 유사하다. 기질, 물리적 메커니즘 및 크기의 특별한 차이에도 불구하고 인간 뉴런 네트워크와 은하의 우주 웹은 정보 이론의 도구로 고려 될 때 놀랍도록 유사합니다.
이 사실은 두 시스템에서 출현 현상의 물리학에 대해 심오한 것을 말해 주나요? 아마도. 그러나 우리는 이러한 발견을 소금 한 알로 가져 가야합니다. 우리의 분석은 매우 다른 측정 기술로 취한 작은 샘플로 제한되었습니다.
또한 우리의 분석은 이러한 시스템들 사이에서 동적 유사성을 지적하지 않습니다. 두 시스템에서 정보가 공간적 척도와 시간에 걸쳐 어떻게 흐르는 지에 대한 모델은 중요한 테스트가 될 것입니다. 이것은 이미 수치 시뮬레이션을 통해 우주 웹에 가능합니다. 인간의 두뇌의 경우, 우리는 더 많은 전 세계 추정치에 의존해야하며, 일반적으로 더 작은 부분에서 파생 된 다음 상향 조정됩니다. 가까운 시일 내에 우리는 인간 뇌의보다 정교한 수치 모델에서 이러한 개념을 테스트하는 것을 목표로합니다.
전체 인간 뉴런 네트워크를 시뮬레이션하도록 설계된 Human Brain Project와 라디오 천문학에서 가장 큰 기업 인 Square Kilometer 어레이는 이러한 세부 사항 중 일부를 채우고 우주가 우리가 생각했던 것보다 더 놀라운 지 이해하는 데 도움이 될 것입니다.
Franco Vazza는 이탈리아 볼로냐에있는 라디오 천문학 연구소의 Marie Curie Slodowska Action 2020의 동료입니다.
Alberto Feletti는 이탈리아 Azienda Ospedaliero-Universitaria Di Modena의 Nocsae Hospital에있는 Nocsae Hospital의 Neurosurgery 부회장입니다.
우리는 그림 1의 피질과 소뇌를 통해 슬라이스를 생산하기 위해 Elena Zunarelli 박사 (이탈리아 모데나, 모데나, 이탈리아 모데나의 해부학 적 병리학과) 에 감사드립니다.
참조
1. Vazza, F. 우주 구조의 복잡성과 정보 내용. Royal Astronomical Society의 월간 통지 465 , 4942-4955 (2017).
이 기사는 원래 2017 년 7 월의“출현”문제에 출판되었습니다.
