Eines dieser Bilder ist das Gehirn, das andere ist das Universum. Kannst du sagen, was was ist?

“ Wissenschaft ist nicht nur mit Spiritualität vereinbar; Sie ist eine tiefe Quelle der Spiritualität. Wenn wir unseren Platz in einer Unermesslichkeit von Lichtjahren und im Laufe der Jahrhunderte erkennen, wenn wir die Komplexität, Schönheit und Subtilität des Lebens erfassen, dann ist dieses aufsteigende Gefühl, dieses Gefühl der Freude und Demut zusammen, sicherlich spirituell.“ – Carl Sagan „Die vom Dämon heimgesuchte Welt.“

Als ich etwas über das Universum gelernt habe, habe ich spirituelle Momente gespürt, wie Sagan sie beschreibt, da ich meine Verbindung zum breiteren Alles besser verstehe. Wie als ich zum ersten Mal erfuhr, dass ich buchstäblich aus der Asche der Sterne gemacht war – die Atome in meinem Körper breiteten sich durch Supernovae in den ewigen Äther aus. Ein weiterer spiritueller Moment war, dieses Bild zum ersten Mal zu sehen:

Ein Neuron im Gehirn, das Galaxienhaufen und ihren verbundenen Filamenten aus Materie und dunkler Materie gegenübersteht. Die Ähnlichkeit ist sofort klar. Die Implikation? Vielleicht hast du ein ganzes Universum im Kopf. Aber die Ähnlichkeit zwischen den Bildern könnte einfach ein Fall von Apophenie sein – Wahrnehmung von Ähnlichkeit, wo keine tatsächlich existiert. Wie können diese beiden Dinge angesichts des großen Maßstabsunterschieds zwischen ihnen ähnlich sein? Aber was wäre, wenn jenseits der visuellen Ähnlichkeit zwischen den Netzwerken von Neuronen im Gehirn und den Netzen von Galaxien im Kosmos eine objektive Messung vergleichen könnte, wie ähnlich sie wirklich sind? Das wollten Franco Vazza (Astrophysiker an der Universität Bologna) und Alberto Feletti (Neurochirurg an der Universität Verona) herausfinden, indem sie beide Disziplinen für eine Veröffentlichung in „Frontiers of Physics.“

Eine intergalaktische Verbindung

Das menschliche Gehirn ist buchstäblich eine der komplexesten Strukturen, die im Universum bekannt sind – was selbst die größte aller Komplexität ist. Ihr Gehirn hat ungefähr 80 Milliarden Neuronen – die Zellen, die Eingaben von den Sinnen verarbeiten und Signale über das Nervensystem an Ihren Körper senden. Neuronen sind ebenfalls vernetzt und kommunizieren über Verbindungen, die als Axionen und Dendriten bezeichnet werden, miteinander. Es gibt in der Größenordnung von 100 Billionen Verbindungen zwischen Neuronen, die das neuronale Netzwerk bilden, das schafft, wer Sie sind.

Auch das Universum ist vernetzt. Während wir uns den Raum als Objekte vorstellen können, die durch weite Teile des … nun … Raumes getrennt sind, ist das nicht ganz der Fall. Das Universum, das wir mit unseren wissenschaftlichen Geräten sehen, wird als „beobachtbares Universum“ bezeichnet, das einen Durchmesser von etwa 90 MILLIARDEN Lichtjahren hat und in der Größenordnung von Hunderten von Milliarden bis zu einigen Billionen Galaxien enthält. Diese Galaxien, wie unsere Milchstraße, Sammlungen von Milliarden von Sternen, sind selbst in Galaxienhaufen gruppiert. Unsere Milchstraße ist Teil der „Lokalen Gruppe“, die die benachbarten Andromeda- und Triangulum-Galaxien sowie 50 weitere Galaxien enthält. Diese Galaxien sind wiederum Teil einer größeren Gruppe namens Virgo Supercluster. Der Raum zwischen Gruppen und Clustern ist nicht leer, sondern beherbergt verbindende Filamente aus gewöhnlicher und dunkler Materie, die sich über Millionen von Lichtjahren erstrecken. Auf diese Weise kann das Universum als ein riesiges Netzwerk von Galaxienhaufen betrachtet werden, die alle ähnlich wie neuronale Netze im Gehirn miteinander verbunden sind. Dieses Netzwerk nennt sich Cosmic Web.

Ein Universum im Universum

Die Forschung, um quantifizierbare Ähnlichkeiten zwischen beiden Netzwerken zu finden, entstand in einer Partnerschaft zwischen Neurowissenschaften und Astrophysik. Mit Techniken und Werkzeugen aus beiden Disziplinen untersuchten Vazz und Feletti diese beiden Netzwerke, um quantifizierbare Ähnlichkeiten jenseits der wahrgenommenen visuellen Ähnlichkeit zu finden. Waren diese Netzwerke vergleichbar und wenn ja, was bedeutet das?

Die Forscher verwendeten 4 Mikrometer dicke Scheiben des menschlichen Kortex – der äußeren Schicht des Gehirns, die für die Verarbeitung von Sprache, sensorischen Informationen, Gedanken, Gedächtnis und Bewusstsein verantwortlich ist. Diese wurden mit 25 Megaparsec (1 parsec = ca. 3.26 Lichtjahre) dicke „Scheiben“ des Universums aus einem Computer simulierten Volumen von 1 Million kubischen Megaparsekunden Raum. Die Scheiben von Gehirn und Universum sind in ihrer Dicke relativ vergleichbar, da sich beide um 27 Größenordnungen voneinander unterscheiden.

Je nach Maßstab wurden die Scheiben untersucht – die Ähnlichkeit in der Struktur war nicht immer offensichtlich. Aber bei 40-facher Vergrößerung im Hirngewebe begannen die Forscher Ähnlichkeiten in der Struktur zu sehen. Die 40-fache Vergrößerung entspricht einer Skala von 0,01-1,6 mm im Gehirn und 1-100 Megaparsekunden im Universum. Hier erscheint das neuronale Netzwerk wie die Galaxienhaufen. Darüber hinaus kann die Ähnlichkeit der Netzwerke objektiv gemessen und mit zwei Techniken verglichen werden. Die erste ist „Network Degree centrality“, die die Länge der Netzwerkverbindungen und den Grad der Konnektivität in einem bestimmten Netzwerk misst. Der Kern oder das Zentrum eines Neurons hat einen viel kleineren Radius als die Länge der Verbindungsaxionen und Dendriten. In ähnlicher Weise haben Galaxienhaufen einen viel kleineren Radius als die Länge der Verbindungsfilamente. Die zweite Methode, um beide Netzwerke objektiv zu vergleichen, ist der „Clustering-Koeffizient“, der die Menge an Struktur neben jedem Verbindungsknoten (Neuron oder Galaxienhaufen) quantifiziert und diese Struktur mit einem zufälligen Punkt innerhalb des Netzwerks vergleicht. Dieser Vergleich kontrastiert Organisation vs Zufälligkeit in beiden Netzwerken.

Bei der Anwendung der Techniken auf diesen Skalen fanden Vazz und Feletti „bemerkenswerte“ Ähnlichkeiten zwischen dem Gehirn und dem Universum. Sie fanden auch heraus, dass die Netzwerke einander ähnlicher waren als andere biologische und physikalische Strukturen wie Äste, die Dynamik der Wolkenbildung oder Wasserturbulenzen. Diese anderen Strukturen sind fraktaler Natur. Fraktale Muster wiederholen sich selbst und sehen gleich aus, unabhängig davon, in welchem Maßstab Sie sie beobachten. Im Gegensatz dazu sieht das Universum in kleineren als größeren Maßstäben völlig anders aus. Galaxien und Sonnensysteme ähneln nicht dem kosmischen Netz, das sie erschaffen. So ähnelt auch das Gehirn nicht mehr dem neuronalen Netzwerk, wenn es in verschiedenen Maßstäben beobachtet wird. Die Skalierung selbst könnte für die Schaffung dieser Strukturen in Bezug auf ihre Selbstorganisation wichtig sein.

Die Forscher schlussfolgern, dass ihre Ergebnisse „darauf hindeuten, dass ähnliche Netzwerkkonfigurationen aus dem Zusammenspiel völlig unterschiedlicher physikalischer Prozesse entstehen können, was zu ähnlichen Ebenen der Komplexität und Selbstorganisation führt, trotz der dramatischen Unterschiede in den räumlichen Skalen dieser beiden Systeme.“ Mit anderen Worten, Netzwerke wie das Gehirn und das Universum haben möglicherweise eine ähnliche Struktur, sind jedoch völlig unterschiedlich groß und werden durch unterschiedliche Prozesse gebildet (Schwerkraft vs. Biologie). Es ist jedoch möglich, dass sich etwas in ähnlicher Weise entwickelt und wächst.

Die Forscher stellten zwei weitere interessante Ähnlichkeiten zwischen dem Gehirn und dem kosmischen Netz fest. Das erste waren die Kompositionsverhältnisse. Das Gehirn besteht zu 77% aus Wasser, während das kosmische Netz zu 73% aus dunkler Energie besteht. Wasser und dunkle Energie sind nicht Teil des Netzwerks selbst, sondern gelten als „passives Material“ oder passive Energie. Das Vorhandensein und das Verhältnis von passivem Material / Energie könnte für die Bildung dieser Netzwerke von Bedeutung sein. Eine zweite faszinierende Ähnlichkeit besteht darin, dass die Menge an Computerdaten, die zur Abbildung der simulierten Universumsmodelle erforderlich ist, mit den theoretischen Speichergrenzen des menschlichen Gehirns vergleichbar ist. Zwischen 1-10 Petabyte (1 Petabyte = 1000 Terrabyte) an Daten werden benötigt, um die Entwicklung des beobachtbaren Universums in Maßstäben zu simulieren, in denen das kosmische Netz sichtbar wird. Schätzungen über die gesamte Speicherkapazität des menschlichen Gehirns beträgt etwa 2,5 Petabyte. Ein Mensch könnte dann theoretisch einen guten Teil der Struktur des beobachtbaren Universums in seinem Gehirn speichern. Oder, noch erstaunlicher, das kosmische Netz könnte theoretisch die Daten eines Lebens menschlicher Erfahrungen speichern.

Neben Ähnlichkeiten gibt es Unterschiede zwischen dem kosmischen Netz und dem Gehirn. Während die verwendeten Gehirnproben aus dem Kortex stammten, ist das gesamte Gehirn nicht einheitlich. Verschiedene Teile des Gehirns sind für verschiedene Zwecke strukturiert, während ein Schlüsselmerkmal des Universums seine Einheitlichkeit in fast alle Richtungen ist. Verbindungen zwischen Neuronen im Gehirn dienen der Übertragung sensorischer Informationen, während Verbindungen im Universum allein Energie und Materie übertragen. Vazz und Feletti hoffen, dass ihre Forschung die Entwicklung leistungsfähigerer Algorithmen inspirieren wird, um noch mehr Ähnlichkeiten zwischen dem Gehirn und dem Universum zu entdecken. Vielleicht lernen wir etwas über die Bedingungen, die dazu führen, dass sich zwei Netzwerke, die aus völlig unterschiedlichen Prozessen entstanden sind, so sehr ähneln.

Wir haben Carl Sagan beschreiben hören, wie unsere Körper buchstäblich aus Sternen bestehen. Jetzt beginnen wir zu verstehen, dass unser Gehirn auch wie sie strukturiert sein kann. Ein ganzes Universum von Verbindungen befindet sich in Ihrem Kopf – ein Universum in einem Universum – und eines, das in der Lage ist, das andere zu erreichen, das es hervorgebracht hat. Milliarden von Neuronen berühren Milliarden von Sternen – sicherlich spirituell.

Mehr zu entdecken:

Die tatsächlich simulierten Bilder des Universums, die in der Forschung verwendet wurden: https://cosmosimfrazza.myfreesites.net/cosmic-web-and-brain-network-datasets

Ähnelt das menschliche Gehirn dem Universum? | EurekAlert! Wissenschaftsnachrichten

Wie oben wie unten Kunstausstellung

Wie dein Gehirn wie das kosmische Netz ist (nautil.us )

Erforschung von Verbindungen zwischen Kosmos & Geist durch sechs interaktive Kunstinstallationen in „As Above As Below“ (arxiv.org )

Frage Ethan: Ist das Universum selbst lebendig? (forbes.com )

Wie groß ist das Universum? – Universum heute

Wie Filamente in das kosmische Netz eingewoben werden (arxiv.org )

Aquarius Simulationsvideo zur Dunklen Materie – ESO