ЕРЕВАН, 21 июл — Sputnik. Структуры мозга и наблюдаемой Вселенной удивительно похожи — по крайней мере, на первый взгляд. Одни ученые пытаются подтвердить это цифрами, другие — применить методы астрофизики в нейронауке. Что из этого получается — в материале Николая Гурьянова, РИА Новости.
Что общего у мозга и космоса
Мозг напоминает Вселенную — такое впечатление может сложиться, если сравнить изображение нейрона и космоса. Итальянские ученые попытались подтвердить это внешнее сходство количественно. Франко Вазза, астрофизик из Болонского университета, и нейрохирург из Университета Вероны Альберто Фелетти в 2020-м опубликовали в журнале Frontiers of Physics очень смелую работу.
Разница в размерах двух структур — 27 порядков. Человеческий мозг функционирует благодаря сети из 69 миллиардов нейронов. Наблюдаемая Вселенная состоит из по меньшей мере 100 миллиардов галактик. Причем только 30 процентов массы и энергии обеих систем приходятся на галактики и нейроны, которые выстраиваются в длинные нити и узлы. Семьдесят процентов обеспечивают пассивные компоненты: вода в мозге и темная энергия в космосе.
Исходя из этого, исследователи сравнили модель сети галактик с участками коры головного мозга и мозжечка. И проанализировали, как флуктуации материи рассеиваются в таких разных масштабах.
"Мы рассчитали спектральную плотность обеих систем. Этот метод часто используется в космологии для изучения пространственного распределения галактик. Наш анализ показал, что распределение колебаний внутри нейронной сети мозжечка в масштабе от одного микрометра до 0,1 миллиметра следует той же прогрессии, что и материя в космической сети в диапазоне от пяти до 500 миллионов световых лет", — объясняет Франко Вазза.
Судя по всему, информационная емкость обеих структур близкая. Память человеческого мозга — около 2,5 петабайта. Вазза подсчитал, что для хранения статистической сложности Вселенной (то есть информации о количестве объектов, входящих в систему, и связей между ними) нужно порядка 4,3 петабайта.
"Грубо говоря, это означает, что информация, которая содержится в мозге (а это весь жизненный опыт человека), также может быть закодирована в распределении галактик нашей Вселенной", — пишут исследователи.
Апофения вселенских масштабов
Это, конечно же, не доказательство того, что Вселенная является мозгом или наоборот. Скорее всего, причина сходства — в общности физических законов, полагают ученые.
Известно, что структуры разных размеров складываются в узоры, описываемые одной математической формулой. Например, Млечный Путь и ушная улитка человека закручены в так называемую спираль Фибоначчи. Уравнений для нейронов и галактик еще нет, но Вазза и Фелетти считают эту задачу решаемой.
"Вероятно, обе сети развиваются по схожим физическим принципам, несмотря на очевидную разницу между природой сил, управляющих галактиками и нейронами", — отмечает Фелетти.
Впрочем, не стоит забывать об апофении — желании видеть связи там, где их нет. Предположение о том, что мозг и Вселенная устроены одинаково, звучит достаточно вызывающе. К тому же сложно представить специалиста, одинаково хорошо разбирающегося и в астрофизике, и в науке о мозге. Так что эта теория остается в науке маргинальной. Нейробиолог, академик РАН Константин Анохин убежден, что в данном случае говорить о схожести двух структур нельзя.
"При желании можно найти такие уровни сопоставления, что человеческое общество будет похоже на груду песка. И выявить в этом математические закономерности. Только смысла в том никакого нет", — говорит он.
Психофизиолог Александр Каплан также считает, что сравнение двух систем некорректно.
"Я не вижу большего сходства, чем если сравнивать с кофейной гущей, морозными узорами на стекле, муравьиными тропами и так далее. Важно, что межнейронные связи формируются для информационно-аналитической сети, а это не имеет отношения к принципам построения других картинок", — говорит он.
Вспышка гениальности
Тем временем космологи помогают разгадывать тайны нейронных сетей. Американец Тиртабир Бисвас сделал карьеру успешного физика-теоретика в сфере высоких энергий. Однако в последнее время его интерес к этой области знаний угас: космолог счел, что ответы на основные вопросы уже даны. А вот теория мозга — другое дело.
"Нейронаука сегодня напоминает физику столетней давности, когда много данных, но мало понимания, что происходит. Это захватывающе", — говорит он.
По просьбе Джеймса Фицджеральда из Медицинского института Говарда Хьюза Бисвас занялся разработкой математического аппарата для описания связей между клетками мозга. Таких соединений в человеческом мозгу в сотни раз больше, чем звезд в Млечном Пути. Принцип их функционирования — одна из главных загадок нейробиологии, ограничивающая возможности ученых в разработке эффективного лечения психических заболеваний и создании более совершенного искусственного интеллекта.
Фицджеральд уехал из города на несколько дней, а Бисвас уединился с ручкой и бумагой. Он воспользовался многомерной геометрией — это новый подход для нейробиологов, обычно полагающихся на другие способы вычислений, отмечается в пресс-релизе института.
Когда научный руководитель вернулся, космолог показал ему результаты. Поначалу Фицджеральд был настроен скептически, но вскоре понял, что приглашенный специалист действительно наткнулся на что-то важное.
"Это была вспышка гениальности. Благодаря междисциплинарному мышлению он пришел к пониманию того, как действуют эти сети, чего раньше никому не удавалось", — подчеркивает Фицджеральд.
Идея Бисваса помогла команде ученых разработать новый способ выявления существенных связей между клетками мозга. Статья об этом вышла в журнале Physical Review Research.
Анализируя нейронные сети — математические модели, имитирующие работу мозга, исследователи рассмотрели, как входные данные в них преобразуются в выходные. К первым может относиться сигнал, обнаруженный глазом, а ко вторым — результирующая активность мозга. Ученые проверили, какие паттерны связей приводят к одному и тому же преобразованию ввода-вывода.
Как и ожидалось, для каждой комбинации существовало бесконечное число возможных соединений, но также обнаружилось, что определенные связи проявлялись во всех комбинациях. Ученые предполагают, что такие соединения более значимы, чем остальные. Дальнейшие исследования в этом направлении помогут понять, как именно нейронные сети выполняют вычисления.