Наука не враг духовности, напротив: научное знание — глубочайший источник духовного. Когда мы осознаем свое место в бесконечности световых лет и сменяющих друг друга эпох, когда постигаем красоту, тонкость и сложность жизни, нас охватывает восторг, в котором гордость сочетается со смирением — это ли не парение духа!
— Карл Саган, «Мир, полный демонов: Наука — как свеча во тьме»

Во время изучения Вселенной я ощущал подобные духовные моменты, описанные Саганом – когда укреплялось моё понимание связей с обширным миром. Как, к примеру, в тот раз, когда я впервые узнал, что буквально состою из пепла звёзд – что атомы моего тела распространились по бесконечному эфиру благодаря сверхновым. В другой раз я ощутил это возвышенное чувство, впервые увидев это изображение:


А) Нейрон из гиппокампа мыши с синапсами. Зелёная клетка в центре имеет размер 10 мкм.
В) Космическая сеть. Длина приведённого для масштаба отрезка – 31,25 Мпк/h, или 1,4 ? 10²⁴ м.

Нейрон в мозге сопоставим со скоплениями галактик и соединяющими их нитями из обычной и тёмной материи. Их схожесть видна сразу. Что это означает? У вас в голове может существовать целая вселенная. Но схожесть изображений может оказаться и примером апофении – восприятия схожести там, где её нет. Ведь как две этих системы могут быть похожими, учитывая огромную разницу в их масштабах? Но что, если кроме внешней схожести между сетями нейронов мозга и паутиной галактик космоса можно получить объективное измерение, оценивающее их похожесть? Именно этим решили заняться Франко Вацца (астрофизик из Болонского университета) и Альберто Фелетти (нейрохирург из Веронского университета), скомбинировав свои научные дисциплины для публикации в журнале Frontiers of Physics.

Межгалактическая связь

Мозг человека – буквально одна из сложнейших структур Вселенной, которая сама по себе является сложнейшей структурой. В вашем мозге содержится порядка 80 млрд нейронов – клеток, обрабатывающих входящие с органов чувств сигналы, и отправляющих сигналы вашему телу по нервной системе. Нейроны также связаны в сеть, и обмениваются информацией по аксонам и дендритам. В типичной сети, формирующей личность, подобную вашей, содержится порядка 100 трлн связей.


Говорят, что NGC 6888, туманность Полумесяца, напоминает гигантский мозг, находящийся в космосе

Вселенная тоже связана в сеть. Нам кажется, что космос – это набор объектов, разделённых огромными участками пространства, но это не совсем так. Видимая нами через научные приборы часть Вселенной называется «обозримой Вселенной», и составляет 90 млрд световых лет в диаметре. В ней содержатся от сотен миллиардов до нескольких триллионов галактик. Эти галактики, как и наш Млечный путь, состоят из миллиардов звёзд, и в свою очередь группируются в галактические скопления. Наш Млечный путь – часть «местной группы» галактик, в которую также входят Андромеда, галактика Треугольника и ещё 50 других галактик. Все они входят в более крупную группу, сверхскопление Девы. Пространство между группами и скоплениями не пустое – оно содержит нити из обычной и тёмной материи, тянущиеся на миллионы световых лет. В этом смысле Вселенная – это гигантская сеть галактических скоплений, связанных между собой примерно так же, как нейронные сети мозга. Эту сеть и называют космической сетью.


Симуляция формирования космической сети от начала времён до сегодняшнего дня

Вселенная внутри Вселенной

Поиски количественно оцениваемого родства между обеими этими сетями были порождены партнёрством нейробиологии и астрофизики. Используя технологии и инструменты из обеих дисциплин, Вацца и Фелетти изучали обе сети в поисках схожих черт, которые можно было бы не только увидеть, но и оценить количественно. Сравнимы ли эти сети, и если да – что это означает?

Исследователи использовали срезы коры головного мозга человека толщиной в 4 мкм. Это верхний слой мозга, отвечающий за обработку языка, информации от органов чувств, мыслей, памяти и сознания. Их сравнивали со «срезами» Вселенной толщиной в 25 мегапарсек (1 парсек равен порядка 3,26 световых лет). Срезы были получены из компьютерной симуляции участка космоса объёмом в миллион кубических мегапарсек. В итоге сравнивались участки мозга и космоса, размеры которых отличались на 27 порядков.


Выборки космической сети и мозга с увеличением в 4, 10 и 40 раз


Слева: срез мозжечка, увеличенный в 40 раз. Фото сделано электронным микроскопом. Справа: часть симуляции космоса линейным размером в 300 млн световых лет.

При изучении срезов их похожесть была очевидной не на всех масштабах. Однако при увеличении тканей мозга в 40 раз исследователи начали замечать сходные структуры. Это увеличение даёт расстояния в 0,01 – 1,6 мм в ткани мозга и в 1-100 Мпк во Вселенной. На таких масштабах сеть нейронов начинает походить на скопления галактик. Более того, похожесть сетей можно измерить и сравнить объективно при помощи двух технологий. Первая – степень связности сети, измеряющая длину связей и связность заданной сети. Радиус центра нейрона, его ядра, гораздо меньше по сравнению с длиной соединяющих его с другими нитей. Второй метод объективного сравнения сетей — коэффициент кластеризации, количественно описывающий плотность структуры, непосредственно прилегающей к каждому узлу сети (нейрону или скоплению галактик), и сравнивающий эту структуру со случайной точкой в сети. Это позволяет сравнить степень организованности обеих сетей.


Вверху приведена реконструкция связей трёх примеров сетей (космическая сеть, мозжечок и кора мозга). Внизу показан график распределения коэффициентов кластеризации и степень связности сетей.


Насколько велика Вселенная

Применив эти техники на выбранном масштабе, Вацца и Фелетти обнаружили «примечательное» сходство мозга и Вселенной. Также они обнаружили, что эти сети похожи друг на друга больше, чем на другие биологические или физические структуры – например, ветви деревьев, динамика формирования облаков или турбулентность воды. Последние имеют фрактальную структуру. Фрактальные узоры самоповторяются и выглядят одинаково на разных масштабах. Вселенная же на разных масштабах выглядит совершенно по-разному. Галактики и звёздные системы вовсе не похожи на космическую сеть, которую они порождают. Мозг тоже не похож на нейронную сеть на других масштабах. Масштаб играет важную роль для самоорганизации этих структур.

Завершили описание открытия учёные «намёком на то, что в результате взаимодействия совершенно различных физических процессов могут появиться сети сходной конфигурации, несмотря на совершенно несоразмерный масштаб систем». Иначе говоря, такие сети, как мозг и Вселенная, могут обладать похожими структурами, будучи совершенно разными по размеру, и сформировавшись благодаря различным процессам (гравитация и биология). Тем не менее, возможно, что они эволюционировали и росли одинаково благодаря каким-то схожим между собой факторам.


Увеличение Мандельброта – фрактальный узор, выглядящий одинаково вне зависимости от масштаба. В отличие от него, мозг и Вселенная на разных масштабах выглядят очень по-разному

Исследователи отметили ещё две интересных параллели между мозгом и космической сетью. Первая – пропорции их составных частей. Мозг на 77% состоит из воды, а космическая сеть примерно на 73% состоит из тёмной энергии. При этом вода и тёмная энергия не являются частями сети, а лишь «пассивным материалом» или пассивной энергией. Возможно, наличие и пропорции пассивного материала и энергии имеют отношение к характерным особенностям формирования сетей. Вторая интересная параллель состоит в том, что объём данных, требуемый для хранения моделей Вселенной, сравним с теоретическим пределом объёма информации, который способен хранить мозг человека. Для симуляции эволюции наблюдаемой части Вселенной на масштабах, на которых наличие космической сети становится очевидным, требуется от 1 до 10 петабайт. Теоретический предел объёма человеческого мозга оценивается в 2,5 петабайта. Теоретически, человек мог бы хранить в своём мозге данные о структуре наблюдаемой Вселенной. Или наоборот, космическая сеть могла бы теоретически хранить данные о жизненном опыте человеческого существа.


Hubble eXtreme Deep Field — детальный снимок небольшого участка пространства, где видно порядка 5500 самых удалённых галактик из всех, что мы видели

Между космической сетью и мозгом есть не только сходства, но и различия. Срезы для изучения были взяты из коры мозга, но мозг не однороден. Разные его части имеют разную структуру, предназначенную для выполнения разных задач. При этом характерной особенностью Вселенной является её однородность по всем направлениям. Связи между нейронами мозга служат для передачи информации от органов чувств, а по связям частей Вселенной передаются только энергия и материя. Вацца и Фелетти надеются, что их исследование вдохновит на разработку более мощных алгоритмов, которые позволят найти ещё больше сходства между мозгом и Вселенной. Возможно, мы узнаем о тех условиях, что заставляют две этих сети, родившихся благодаря совершенно разным условиям, так сильно напоминать друг друга.

Все мы слышали рассказ Карла Сагана о том, что наши тела состоят из звёздной материи. Теперь мы начинаем понимать, что и схема нашего мозга напоминает россыпь звёзд. Внутри вашей головы находится целая вселенная связей, способная дотянуться изнутри вовне, до другой Вселенной, её породившей. Миллиарды нейронов тянутся к миллиардам звёзд – вот вам и духовность.

Изображения симуляции Вселенной и срезов мозговой ткани, использованные в исследовании:
cosmosimfrazza.myfreesites.net/cosmic-web-and-brain-network-datasets

Прим. пер.: идея не нова – см, например, мой перевод от 2017 года "Можно ли считать Вселенную живой?"