神经元和星系网络的奇怪相似性

C赫里斯特夫·科赫(hristof Koch)是研究意识和人类大脑的领军人物，他曾称大脑是“已知宇宙中最复杂的物体”。不难看出为什么这可能是真的。大脑拥有一千亿个神经元和一百万亿个连接，是一个令人眼花缭乱的复杂物体。

但是宇宙中还有很多其他复杂的物体。例如，星系可以组合成巨大的结构（称为星系团、超星系团和丝状体），延伸数亿光年。这些结构与相邻的称为宇宙空洞的空白空间之间的边界可能极其复杂。¹重力将这些边界处的物质加速到每秒数千公里的速度，在星系间气体中产生冲击波和湍流。我们已经预言，空洞-细丝边界是宇宙中最复杂的体积之一，这是通过描述它所需的信息位数来衡量的。

这让我们思考:它比大脑更复杂吗?

因此，我们 - 一种天体物理学家和神经科学派兼任的力量，可以定量比较银河系网络和神经网络网络的复杂性。我们的比较中的第一个结果真正令人惊讶：不仅是大脑和宇宙网络的复杂性实际上是相似的，而且它们的结构也是如此。宇宙可能是在尺寸的尺寸下自相似的尺寸，百亿亿亿亿倍。

T.他的任务是比较大脑和星系簇的簇是一个艰难的大脑。一方面，它需要处理在众所周知的方式中获得的数据：望远镜和一方面的数值模拟，电子显微镜，免疫组化和另一方面的功能磁共振。

它还需要我们考虑到非常不同的尺度:整个宇宙网络——宇宙中所有星系所描绘出的大尺度结构——至少延伸了数百亿光年。这比人脑大27个数量级。另外，其中一个星系是数十亿大脑的家园。如果宇宙网络至少和它的任何组成部分一样复杂，我们可能会天真地得出结论，它至少和大脑一样复杂。

人类大脑中神经元的总数与可观测宇宙中星系的数量大致相同。

但出现的概念使比较成为可能。在所有尺度上，许多自然现象并不同样复杂。宇宙网的雄伟网络才变得明显，只有在最大程度上调查天空。在较小的鳞片上，物质锁定成恒星，行星和（可能）暗物质云，这种结构丢失了。一种不断发展的银河系并不关心原子内电子轨道的舞蹈，而电子在没有考虑到他们所在的银河系中的核来环绕它们。

这样，宇宙包含许多嵌套在系统中的系统，在不同的尺度上几乎没有交互作用。这种尺度分离使我们能够研究以自然尺度出现的物理现象。

宇宙网的组成部分是恒星、气体和暗物质的自引力晕（它们的存在尚未得到确切的证明）。总的来说，可观测宇宙中的星系数量应该在1000亿左右。时空结构的加速膨胀和自身重力的拉动之间的平衡使这个网络具有蜘蛛网般的图案。普通物质和暗物质凝结成弦状细丝，星系团在细丝交叉处形成，剩下的大部分基本上是空的。由此产生的结构看起来有点像生物。

直到最近，文献中还没有对人脑细胞或神经元数量的直接估计。皮质灰质(占大脑质量的80%以上)包含约60亿个神经元(占大脑神经元的19%)和近90亿个非神经元细胞。小脑大约有690亿个神经元(占大脑神经元的80.2%)和大约160亿个非神经元细胞。有趣的是，人类大脑中神经元的总数与可观测宇宙中星系的数量大致相同。

人们的眼睛会立即捕捉到宇宙网络图像和大脑图像之间的某些相似之处。在图1中，我们展示了宇宙物质在10亿光年跨度的切片上的模拟分布，以及通过人类小脑的4微米厚切片的真实图像。

表观相似性只是人类倾向于在随机数据中感知有意义的模式（apophenia）？非常足够，答案似乎是否定：统计分析显示这些系统确实存在定量相似之处。研究人员定期使用一种称为功率谱分析的技术来研究星系的大规模分布。图像的功率谱测量属于特定空间尺度的结构波动的强度。换句话说，它告诉我们有多少高频和低频音质使得每个图像的特殊空间旋律。

从图2(下)的功率谱图中出现了一个令人震惊的消息:在几个数量级上，两个网络的波动的相对分布非常相似。

一个进化中的星系并不关心原子内部电子轨道的舞蹈。

在0.1-1毫米尺度下的小脑波动的分布使得包括数百亿光年的星系分布。在可用于微观观察的最小尺度（约10μm），它是皮质的形态，更符合星系之一，在数十万光年的尺度上。

相比之下，其他复杂系统的功率谱(包括云、树枝、等离子体和水湍流的投影图像)与宇宙网的功率谱完全不同。其他系统的功率谱表现出更陡的尺度依赖性，这可能是它们的分形性质的表现。这对于树枝在树上的分布和云的模式尤其引人注目，这两者都是众所周知的在各种尺度上具有自相似性的分形系统。另一方面，对于宇宙网络和人类大脑的复杂网络，观察到的行为不是分形的，这可以解释为规模依赖、自组织结构出现的证据。

由于功率谱比较是显着的，它并不告诉我们两个系统是否同样复杂。估计网络复杂性的实际方法是测量预测其行为的难度。这可以通过计算建立可以执行这种预测的最小的计算机程序是有必要的信息计算有多少位信息来量化。

我们中的一个人最近测量了根据一个模拟宇宙的数字进化来预测宇宙网络的发展是多么困难。¹这一估计表明，大约需要1到10拍字节的数据来描述整个可观测宇宙在其自组织出现的尺度上的演化(或至少是其模拟的对应对象)。

估计人类大脑的复杂性要困难得多，因为对大脑的全球模拟仍然是一个尚未解决的挑战。然而，我们可以认为复杂性与智力和认知成正比。根据对大脑网络连通性的最新分析，独立研究得出结论，成人大脑的总记忆容量应该在2.5拍字节左右，与宇宙网络估计的1-10拍字节范围相差不远!

粗略地说，这种记忆能力的相似性意味着储存在人脑中的整个信息体（例如，一个人的整个生活经历）也可以被编码到我们宇宙中星系的分布中。或者，反过来说，具有人脑记忆能力的计算设备能够以最大的尺度再现宇宙所显示的复杂性。

一世这确实是一个显著的事实，宇宙网与人脑的相似性大于与星系内部的相似性；或者说神经元网络更像宇宙网，而不是神经元身体的内部。尽管在基质、物理机制和大小上存在着巨大的差异，但人类神经元网络和宇宙星系网，用信息论的工具来考虑，却惊人地相似。

这一事实是否告诉我们这两个系统中涌现现象的物理意义？大概但我们必须对这些发现持保留态度。我们的分析仅限于使用非常不同的测量技术采集的小样本。

此外，我们的分析并没有指出这些系统之间的动态相似性。在这两个系统中，信息如何在空间尺度和时间上流动的模型将是关键的考验。通过数值模拟，这在宇宙网络中已经是可行的。对于人类大脑来说，我们必须依赖更多的全局估计，通常是从较小的部分得到的，然后再向上扩展。在不久的将来，我们的目标是在更复杂的人脑数值模型中测试这些概念。

像“人脑计划”(Human Brain Project)这样的程序，旨在模拟整个人类神经网络，以及“平方公里阵列”(Square km Array)，射电天文学史上最大的项目，将帮助我们填补这些细节，并理解宇宙是否比我们想象的更令人惊讶。

佛朗哥·瓦扎(Franco Vazza)是意大利博洛尼亚国际宇航联合会射电天文学研究所“2020年地平线行动”(Marie Curie Slodowska Action of Horizon 2020)的研究员。

Alberto Feletti是北美奥斯塔奥大学（Italy）的Nocsae医院神经外科部门的成员。

我们感谢Elena Zunarelli博士(意大利摩德纳大学医院解剖病理学部)制作了图1所示的皮质和小脑切片。

工具书类

1.论宇宙结构的复杂性和信息内容。皇家天文学会月报465, 4942 - 4955(2017)。