C赫里斯托夫·科赫是意识和人脑领域的领先研究者，他著名地称大脑为“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1000亿个神经元和100万亿个连接，是一个令人眩晕的复杂物体。
但宇宙中有很多其他复杂的物体。例如，星系可以分为巨大的结构（称为簇，超级器和长丝），其延伸了数亿的轻型岁月。这些结构与邻近的空间的边界称为宇宙空隙的空间可以是非常复杂的。1重力在这些边界上加速物质到每秒数千千克的速度，在白乳液气体中产生冲击波和湍流。我们预测，空隙灯丝边界是最复杂的宇宙中的一个，如通过描述它所需的信息数量的数量来衡量。
这让我们思考：它比大脑更复杂吗？
因此，我们——一个天体物理学家和一个神经学家——联合起来，定量地比较星系网络和神经网络的复杂性。我们比较的第一个结果确实令人惊讶:不仅大脑的复杂性和宇宙网络实际上是相似的，而且它们的结构也是相似的。宇宙在尺度上可能是自相似的，但尺度的大小相差十亿亿亿亿倍。
T比较大脑和星系团的任务是很困难的。一方面，它需要处理以截然不同的方式获得的数据:一方面是望远镜和数值模拟，另一方面是电子显微镜、免疫组织化学和功能性磁共振。
它还要求我们考虑极大的尺度：整个宇宙网 - 所有宇宙的星系都追踪的大规模结构 - 延伸至少几十多个光年。这比人脑大的27个数量级。此外，其中一个星系是数十亿实际脑的所在地。如果宇宙网至少与其成分部分中的任何一个复杂，我们可能很天真地得出结论，它必须至少与大脑一样复杂。
人类大脑中的神经元总数与可观测宇宙中的星系数目大致相同。
但涌现的概念使这种比较成为可能。许多自然现象并非在所有尺度上都一样复杂。只有在对天空进行最大范围的观测时，宇宙网的宏伟网络才变得清晰可见。在更小的尺度上，由于物质被锁定在恒星、行星和(可能)暗物质云中，这种结构就消失了。一个进化中的星系并不关心原子内部电子轨道的舞蹈，而电子围绕原子核运动，与它们所居住的星系系统无关。
通过这种方式，Universe包含许多嵌套到系统中的系统，几乎没有不同尺度的互动。这种规模的分离使我们能够在他们自己的自然尺度上涌现出来的物理现象。
宇宙网的构建块是恒星，天然气和暗物质的自我引人注目的光环（其存在尚未明确证明）。总的来说，可观察宇宙内的星系数量应约为1000亿美元。时空织物的加速膨胀与自重拉动的平衡使得该网络是其蜘蛛网的图案。普通和暗物质的浓缩成串状细丝，并在长丝交叉点处形成星系形式，留下大部分剩余量基本为空。由此产生的结构看起来模糊地生物学。
在最近，文献中没有直接估计人脑中的细胞或神经元的数量。皮质灰质（代表脑质量超过80％）含有大约6十亿个神经元（脑神经元的19％）和近90亿个非神经元细胞。细胞有大约690亿个神经元（脑神经元的80.2％）和约160亿个非神经元细胞。有趣的是，人脑中神经元总数落在可观察宇宙中的星系数量的同一个球场中。
眼睛立刻抓住了宇宙网和大脑图像之间的一些相似之处。在图1中，我们展示了宇宙物质在10亿光年宽切片中的模拟分布，以及穿过人类小脑的4微米（µm）厚切片的真实图像。
这种明显的相似性仅仅是人类在随机数据中感知有意义模式的倾向吗?值得注意的是，答案似乎是否定的:统计分析表明，这些系统确实存在数量上的相似性。研究人员经常使用一种叫做功率谱分析的技术来研究星系的大规模分布。图像的功率谱测量了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符构成了每个图像独特的空间旋律。
图2（下图）中的功率谱图显示了一个惊人的信息：两个网络中波动的相对分布在几个数量级上非常相似。
演化中的星系并不关心原子内电子轨道的舞动。
小脑在0.1-1毫米尺度上波动的分布，令人联想到数千亿光年的星系分布。在显微镜能观察到的最小尺度上(大约10微米)，皮层的形态与星系的形态更接近，在几十万光年的尺度上。
相比之下，其他复杂系统的功率谱（包括云，树枝和等离子体的投影图像和水湍流）与宇宙网的云层相比非常不同。这些其他系统的功率谱显示较陡峭的依赖性，这可能是其分形性质的表现。这对于树木和云层的分支的分布特别令人醒目，这两者都是众所周知的，这对于分形状的具有自相似性的分形系统，众所周知。另一方面，对于宇宙网和人脑的复杂网络，观察到的行为不是分形，这可以被解释为依赖阶级自组织结构的出现的证据。
尽管功率谱的比较是引人注目的，但它并没有告诉我们这两个系统是否同样复杂。估计网络复杂性的一种实用方法是衡量预测其行为的难度。这可以通过计算构建能够执行这种预测的最小计算机程序所需的信息比特数来量化。
我们之一最近衡量了预测宇宙网络如何发展的难度，基于模拟宇宙的数字演变。1这一估计表明，需要大约1到10个数据的数据来描述整个可观察宇宙在其自组织出现的规模（或至少其模拟对应）的规模中的演变。
估计人脑的复杂性要困难得多，因为大脑的全局模拟仍然是一个未解决的挑战。然而，我们可以说复杂性与智力和认知成正比。基于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 PB左右，与宇宙网估计的1-10 PB范围不远！
粗略地说，存储器容量中的这种相似性意味着整个存储在人类大脑中的信息（例如，人的整个生命经验）也可以编码到我们宇宙中的星系的分布中。或者，相反，具有人类大脑的存储容量的计算设备可以在其最大尺度上再现宇宙显示的复杂性。
我T是真正的一个显着的事实，即宇宙网比人类大脑比到银河系的内部更类似于人类大脑;或者，神经元网络比到神经元体的内部更类似于宇宙网。尽管基板，物理机制和尺寸具有非凡的差异，但是当与信息理论的工具考虑时，人类神经元网络和星系的宇宙网是惊人的相似。
这一事实是否告诉我们两种系统中紧急现象的物理的一些深刻的东西？也许。但我们必须用一粒盐服用这些发现。我们的分析仅限于具有非常不同的测量技术的小样本。
此外，我们的分析并不指向这些系统之间的动态相似性。如何在两个系统中流出空间尺度和时间的信息流动的模型将是至关重要的测试。这对于宇宙网络通过数值模拟已经是可行的。对于人脑来说，我们必须依赖更多的全局估计，通常来自较小的部分，然后缩小向上缩放。在不久的将来，我们的目标是在更复杂的人类大脑的最复杂数值模型中测试这些概念。
类似于人脑项目（旨在模拟整个人类神经网络）和平方公里阵列（射电天文学史上最大的企业）等项目将帮助我们填写其中一些细节，并了解宇宙是否比我们想象的更令人惊讶。
Franco Vazza是意大利博洛尼亚INAF射电天文研究所的Marie Curie Slodowska Action of Horizon 2020的研究员。
Alberto Feletti是意大利莫德纳大学Azienda Ospedaliero-Universitaria di Modena nosae医院神经外科的一名成员。
我们非常感谢Elena Zunarelli博士（意大利摩德纳Polilinico di Modena大学医院解剖病理学系）制作了图1中穿过皮质和小脑的切片。
参考
1.关于宇宙结构的复杂性和信息含量。皇家天文社会的每月通知465，4942-4955（2017）。
本文最初发表于2017年7月的“出现”问题。
