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宇宙神经网络：高度相似的神经网络与宇宙星系

2021.7.13

　　一项最新的研究表明人类大脑神经元网络和宇宙的星系网络之间存在惊人的结构相似性！这项研究结果由意大利天体物理学家Franco Vazza和神经外科医生Alberto Feletti以题为“The Quantitative Comparison Between the Neuronal Network and the Cosmic Web”的论文发表在《Frontiers in Physics》上。

　　宇宙和人脑的一个迷人的怪异之处就是，在极度不同的背景中能发现相似的结构和模式：黄金螺旋结构（the Golden Spiral）既可以在人类耳蜗中存在，也可以在螺旋星系中出现；静脉的分形几何形状和闪电显出的分支的形状极为类似。

　　在这项大胆的新尝试性实验中，天体物理学家Franco Vazza和神经外科医生Alberto Feletti把这种相似性提高了一个档次，他们利用定量分析来对比自然届中两个最复杂的系统：人脑的神经网络和宇宙中星系之间的宇宙网络。

　　这其实并不是一个奇特的对比，早在之前人们到处分享的一张图像，展示出一个人类神经元网络和一个模拟的星系簇并排在一起，两者看上去惊人的相似。Franco Vazza和Alberto Feletti在过去几年时间内进行了相关研究，以确定这些相似性是否只是表面上看起来那样。

neuron galaxy (Mark Miller/Virgo Consortium/Visual Complexity)

　　在之前的《Nautilus Quarterly》上他们解释道：“星系可以分组到巨大的结构之中（这些结构叫做簇、超级簇和微丝），这些结构可以延展达数亿光年。这些星系结构的边界和临近的空间被叫做宇宙间的虚空，这可以是极其复杂的。我们已经预测，宇宙虚空和微丝的边界是我们宇宙中最复杂的东西之一，这是由描述它所用的信息的比特数来度量的。这就让我们想到：它比大脑更为复杂吗？”这两个结构相差27个数量级（that's a billion billion billion）。

　　该团队的研究结果暗示，虽然驱动宇宙结构和人脑结构的物理过程极为不同，但是它们可以导致相似的复杂水平。开始的工作就是计算出两者之间的相似性，人类大脑大约有1000亿个神经元，可见的宇宙之网包含1000亿个星系，这是一个方面。两个系统都被安置于良好定义的网络中，都有节点（大脑中是神经元，宇宙中是星系），都通过微丝连结。

　　神经元和星系都有一个典型的半径规模，即微丝的长度的一小部分。每一个系统中节点之间信息和能量的流动只占每个系统的质能组成的25%左右。另外，在大脑的构成和宇宙的构成之间也有相似之处。大脑中有约75%的水。宇宙中有约75%的暗能量。这两者都似乎是被动的物质，它们都弥漫于对应的系统，并且都只扮演内部结构之间间接的角色。

　　定义了这些相似性，这项研究接下来对两者进行了基于图像的量化对比。他们获得了在不同放大率下的人类大脑皮层的切片，以与模拟出的宇宙之网进行对比。他们所寻找的是两者在物质密度波动之间的相似处。他们发现，在两个系统中，物质密度的波动的相对分布惊人地相似——虽然是在极为不同的规模规模上。

左边是40倍放大率下的人脑切片，右边是模拟的宇宙之网每一边延展300光年的情况

　　 “我们计算了两个系统的光谱密度（spectral density），这是一种在宇宙学中常用的，用来研究星系空间分布的技术，”Vazza说。这些分析表明，在神经网络中，从1微米到0.1毫米的尺度上，物质密度波动的分布与，宇宙之网中物质的分布的级数是相同的，当然在更大的，从500万到5亿光年的尺度上。

　　该团队还研究了其他形态学上的特点，例如每个节点间连结的微丝的数目。对宇宙之网而言，基于3800到4700节点的样本来看，每个节点平均有3.8到4.1根微丝相连接。人类大脑皮层，在1800到2000节点的样本上看，每个节点平均有4.6到5.4个丝状连结。