Похожа ли Вселенная на мозг?
Если внимательно посмотреть на космическую паутину – структуру Вселенной, которая состоит из массивных нитей галактик, разделенных между собой гигантскими пустотами – и сеть нейронов в мозге человека, можно заметить некоторое сходство. Но насколько вообще корректно подобное сравнение? Как оказалось, описание человеческого мозга как трехфунтовой Вселенной, возможно, намного ближе к истине, чем может показаться. Человеческий мозг, при весе примерно в три фунта (около 1300 кг) содержит около 100 миллиардов нейронов, а количество связей в нем больше, чем количество галактик во Вселенной. Мозг – это командный центр всего, что мы думаем, чувствуем и делаем. И когда астрофизик Франко Вацца и нейробиолог Альберто Фелетти сравнили эти две структуры численно, сходство стало еще более поразительным. Пожалуй, не удивительно, что оно наводит на самые разные мысли, вплоть до предположения о том, что мы живем в симуляции.
Слева: увеличенный участок мозжечка головного мозга, полученный с помощью электронной микроскопии; справа: участок космологического моделирования с расширением 300 миллионов световых лет с каждой стороны.
Самый сложный орган тела человека
Человеческий мозг – самый сложный объект во Вселенной. Он отвечает за все, что вы делаете, думаете, чувствуете и говорите. Иными словами мозг делает вас тем, кто вы есть, и позволяет заниматься своей повседневной деятельностью.
Мозг среднестатистического взрослого человека содержит около 100 миллиардов клеток – нейронов. Каждая из них связана примерно с 1000 другими, а это 100 триллионов соединений. Так что если вы поставите себе цель сосчитать каждую клетку в мозге одного человека, вам потребуется более 3000 лет.
Примечательно и то, что каждая отдельная часть мозга играет свою собственную роль, позволяя нам думать, хранить воспоминания, двигать руками и ногами, чувствовать запахи, видеть и слышать звуки окружающего мира, а также поддерживать функции многих органов в теле. По меньшей мере 100 триллионов нейронных связей группируются в иерархическую сеть узлов, нитей и взаимосвязанных нейронных кластеров, которые и формируют наши сложные мысли, чувства и эмоции. Но эти нейроны составляют менее 25% массы мозга, а оставшиеся 75% – вода.
Мозг и правда похож на Веленную. Или нам только кажется?
По странному совпадению, наблюдаемая Вселенная также содержит около 100 миллиардов галактик. Шаткое равновесие между притяжением гравитации и ускоренным расширением Вселенной образует космическую паутину, которая состоит из обычной и темной материи. Именно по этой причине некоторые ученые считают, что существует 50% шанс, что мы живем в симуляции. Подробнее читайте в нашем материале.
Примечательно, что скопления галактик образуются на пересечениях галактических нитей, оставляя между собой промежутки пустого пространства. Как это ни странно, но недавно ученые подсчитали, что только около 25% материи во Вселенной является видимой. Остальные 75% составляет таинственная темная материя.
Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира популярной науки и высоких технологий? Подпишитесь на наш новостной канал в Google News, чтобы не пропустить ничего интересного.
Таинственная темная материя
В исследовании, которое опубликовано в научном журнале Frontiers in Physics, астрофизик Франко Вацца и нейробиолог Альберто Фелетти пишут о том, что «хотя соответствующие физические взаимодействия в вышеупомянутых двух системах принципиально отличаются друг от друга, полученные с помощью микроскопов и космических телескопов изображения удивительно похожи».
Слева на снимке – нейронные связи, справа – космическая паутина
В ходе работы исследователи внимательно изучили полученные изображения космической паутины и нейронных связей в мозге человека. Чтобы рассмотреть как можно больше деталей (а заодно выявить сходство), астрофизик из Болонского университета Франко Вацца и нейрохирург из Веронского университета Альберто Фелетти прибегли к методу под названием «анализ спектра мощности», который позволил им измерить силу крошечных флуктуаций во всем диапазоне пространственных масштабов – как моделирования галактик, так и участков мозжечка и коры головного мозга. Отметим, что «анализ спектра мощности» традиционно применяется в астрофизике и космологии для изучения крупномасштабного распределения галактик во Вселенной.
Исходя из общих черт космической паутины и нейронных связей, ученые составили сравнительную модель флуктуации вещества в обеих системах и изучили их структурные, морфологические и сетевые свойства. Как отмечают Вацца и Фелетти в пресс-релизе исследования, схожести в структуре Вселенной и нейронных связей в мозге также проявились в среднем количестве соединений в каждом узле и тенденции к кластеризации.
Наш анализ показал, что распределение колебаний в нейронной сети мозжечка в масштабе от одного микрометра до 0,1 миллиметра следует той же прогрессии, что и распределение материи в космической паутине, но, конечно, в более крупном масштабе — от 5 до 500 миллионов световых лет.
Почему нейронные связи и галактические нити похожи?
Возможно, уважаемый читатель захочет возразить: «если ученые сравнивают между собой такие сложные структуры как мозг и Вселенную, то почему бы не сравнить и другие, относительно похожие объекты?» По-видимому, исследователи учли подобные вопросы, а потому сравнили спектры мощности и других сложных систем, включая изображения ветвей деревьев, облаков и воды, но ни одно из них не приблизилось к соответствию нейронного и вселенского дуэта.
И все же, необходимо отметить, что спектры мощности не дают никаких намеков на сложность той или иной системы. Так что в ходе исследования ученые внимательно изучили сети обеих систем, сравнивая среднее число соединений на узел и то, как эти узлы группируются вместе.
Необходимо отметить, что сходства между космической паутиной и нейронной сетью возникают только тогда, когда исследователи сравнивают конкретный масштаб каждой системы.
«В очередной раз структурные параметры выявили неожиданные уровни согласования. Вероятно, связь внутри этих двух систем развивается по сходным физическим принципам, несмотря на поразительную и очевидную разницу между физическими силами, регулирующими галактики и нейроны», — слова Вранческо Фелетти из Веронского университета в Италии приводит английская The Independent.
Согласитесь, весьма впечатляет, что у космической паутины в наблюдаемой Вселенной больше общего с сетью нейронов в вашем мозге, чем с отдельными галактиками и звездами. А сложная сеть нейронов в мозге Homo Sapiens составляет лучшую пару с космической паутиной, чем отдельные клетки мозга между собой. А как вы думаете, почему нейронные связи и космическая паутина похожи? Ответ будем ждать здесь, а также в комментариях к этой статье.
Источник
Мозг человека – это космос!
Организм человека исследуют давно, а конца и края по-прежнему не видно. И одна из самых сложных областей – наш мозг и нервная система. О том, можно ли вырастить глаз и чем оказались полезны науке кальмары и улитки, корреспонденту «СК» рассказал кандидат биологических наук, доцент Валерий Жуков. Ученый возглавляет направление нейробиологии в химико-биологическом институте БФУ им. И. Канта.
Вырастили глаза на ногах
– Чем именно занимаются нейробиологи?
– Нейробиология – это совокупность наук, которые имеют отношение к изучению нервной системы. Мозг – сложное образование, исследовать его можно с самых разных сторон. Этим занимаются не только биологи, химики, медики, но и математики, физики. И всем работы хватит на много веков.
Теперь несколько примеров того, чем занимается нейробиология. Один из важных продуктов деятельности нервных и мышечных клеток – производство электричества. Нервная клетка – это батарейка, которая не просто поддерживает заряд, но и производит нервные импульсы, т. е. резко его изменяет, за тысячные доли секунды. Это – язык, на котором нервная клетка говорит с себе подобными, а также с мышечными клетками (и в результате мышцы сокращаются, мы двигаемся, работает сердце и т. д.), железами (выделяется секрет – например, гормоны). Изучение этих импульсов, механизмов их передачи.
Нейробиология занимается и вопросом развития и регенерации нервной системы. Все знают фразу «нервные клетки не восстанавливаются». И это почти верно: они регенерируются крайне плохо. Но в пазухах носа в обонятельном эпителии находится кусочек мозга с нервными клетками. Они заменяются каждые 40 дней. Почему одни умеют восстанавливаться, а другие нет – важный вопрос для науки.
– Чему посвящены ваши исследования?
– Клеточной нейробиологии. На базе университета создается íåéðî-ëàáîðàòîðèÿ â ðàìêàõ êàôåäðû мîëåêóëÿðíîé фèçèî-ëîãèè è бèîôèçèêè, закупается оборудование. Многие приборы просто удивительны: например, камера для съемки с микроскопа. Она позволяет увидеть на картинках, что происходит в клетках за тысячные доли секунды.
Будут и совместные проекты с другими исследователями, ведь сегодня самое актуальное направление – соединение нейробиологии и молекулярной генетики. Есть поразительные результаты такого союза: в 2013 году Нобелевскую премию дали за открытие гена, который отвечает за стимулирование клеток сетчатки к размножению. Это можно использовать, например, для борьбы со слепотой, когда у человека происходит эрозия сетчатки. Правда, конкретной технологии пока нет: в сетчатке 130 млн клеток, все они связаны между собой определенным образом – как это воссоздать?
Или вот пример: открыт ген, который отвечает за формирование глаз у зародыша. Благодаря его стимулированию швейцарский ученый Вальтер Геринг вырастил дополнительные глаза у мушки-дрозофилы. Правда, на ногах! И пока они не соединены с нервной системой, это не полноценные органы зрения.
Результаты – в медицине
– Подопытными «кроликами» становятся разные организмы. Вы на ком проводите опыты?
– На улитках! В нейробиологии, к слову, большую роль сыграл. кальмар. У одного из его видов есть гигантский аксон – нервное волокно, которое можно видеть без микроскопа. Не менее важны оказались лягушка, пиявка, а клеточная нейробиология во многом началась с улитки. Это морской слизень, без раковины, с крупными нервными клетками, их хорошо видно при небольшом увеличении, и они ярко окрашены.
– Почему сложные вещи изучают на простых существах?
– Геометрия нервных клеток чрезвычайно сложна, все они имеют отростки – у некоторых число окончаний доходит до 20–40 тысяч. Множество комбинаций соединений клеток между собой. Поэтому нервная система человека с точки зрения количества элементов и сочетаний – космос, разбирать его по клеткам не хватит жизни нескольких поколений. Отсюда и обращение к простым организмам. Хотя даже у них все оказывается сложно. Я долго занимался глазами улитки, на их примере многое можно узнать и понять. Но остается основной и самый очевидный вопрос – зачем ей глаза?
Глаз сам по себе не видит, видит мозг, а глаз – лишь аппарат, который передает сигнал и получает его обратно. А у улитки такого мозга, как у человека, со специальными зрительными отделами, нет. Как и у медуз, а среди них существует вид, у которого целых 24 органа зрения.
Световая чувствительность улиток позволяет говорить о более общих вещах. Строение глаза человека было отлично описано еще в XIX веке, а вот как работает сам нервный аппарат глаза – сетчатка, в которой пять структурно организованных слоев клеток, миллионы фоторецепторов? Уже удалось выяснить, что сигналы от глаза идут в обе стороны: к мозгу и от него, т. е. сетчатка глаза имеет управление. Можно подозревать, что и все сенсорные органы имеют управление из мозга, но твердых доказательств пока нет.
– Где применяют результаты?
– Прежде всего, в медицине. Нейробиология дает теоретический фундамент для нейрофармакологии. Если назвать мозг машиной, то она сочетает в себе два принципа работы: каждая клетка создает электричество, но еще и выделяет разные химические вещества. Их известно уже много. Сбою в их обмене приписывают некоторые нарушения работы мозга. Так, шизофрения – нарушение синтеза и метаболизма дофамина. Сходная химическая подоплека может быть и у заболевания алкоголизмом. Дисфункций множество, и, зная, какое вещество за них отвечает, можно пытаться скорректировать работу нервной системы.
Источник
Исследование: Человеческий мозг является «копией» Вселенной
Совместное исследование ученых Болонского и Веронского университетов (Италия) доказало, что человеческий мозг по своему строению и взаимодействию в нем нейронов поразительно похож на Вселенную.
Исследование опубликовано в журнале Frontiers in Physics, а коротко о нем рассказывается на сайте Болонского университета. Оно было проведено совместными усилиями астрофизика Франко Вацца и нейрохирурга Альберто Фелетти. Специалисты сравнили две самые сложные системы в природе: космическую сеть из множества галактик и сеть нейронных клеток в человеческом мозге.
Количественный анализ был проведен, несмотря на огромную разницу в масштабе между двумя этими сетями, которая превышает 27 порядков. По сути, исследование было проведено на пересечении космологии и нейрохирургии. Оно предполагает, что различные физические процессы могут создавать структуры, характеризующиеся одинаковыми уровнями сложности и самоорганизации.
Исследователи отмечают, что человеческий мозг функционирует благодаря своей широкой нейронной сети. Считается, что она состоит примерно из 69 миллиардов нейронов. В то же время о Вселенной известно, что она представляет собой космическую сеть, которая состоит как минимум из 100 миллиардов галактик.
«В обеих системах только 30 процентов их массы составляют галактики и нейроны, — пишут ученые. — В обеих системах галактики и нейроны образуют длинные волокна или узлы между ними. Наконец, в обеих системах 70 процентов распределения массы или энергии состоит из компонентов, играющих явно пассивную роль: вода в мозге и темная энергия в наблюдаемой Вселенной».
Именно эти общие черты и легли в основу анализа. Ученых интересовало, до какой степени человеческий мозг и Вселенная могут быть похожи друг на друга? Для поиска ответа на этот вопрос они смоделировали сеть галактик и сеть нейронов коры головного мозга, а затем наложили их друг на друга. Цель заключалась в том, чтобы увидеть, как флуктуации (колебания) вещества распространяются в столь разных масштабах.
«Мы рассчитали спектральную плотность обеих систем, — рассказал Франко Вацца. — Этот метод часто используется в космологии для изучения пространственного распределения галактик. Наш анализ показал, что распределение колебаний в нейронной сети мозжечка в масштабе от одного микрометра до 0,1 миллиметра следует такой же прогрессии распределения материи в космической «паутине». Но в космосе, конечно, все происходит в гораздо более крупном масштабе — от пяти до 500 миллионов световых лет».
Также авторы работы рассчитали некоторые параметры, которые характеризуют как нейронную сеть мозга, так и космическую сеть. В частности, они изучили среднее количество соединений в каждом узле и тенденцию их объединения в кластеры внутри каждой сети.
«И снова структурные параметры выявили неожиданные уровни согласования, — говорит Альберто Фелетти. — Вероятно, взаимосвязь внутри двух этих сетей выстраивается в соответствии с аналогичными физическими принципами, несмотря на поразительную и очевидную разницу между физическими силами, регулирующими галактики и нейроны».
Источник