腦殼里的宇宙：神經(jīng)元與星系網(wǎng)絡(luò)間驚人的相似性

AAAAA奮斗進取 2018-08-06

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克里斯托夫·科赫（Christof Koch），一位從事意識和大腦領(lǐng)域研究的頂尖學(xué)者,，有個著名理論稱大腦為“已知宇宙中最復(fù)雜的研究對象”,。大腦錯綜復(fù)雜，由一千億個神經(jīng)元和一百萬億個連接組成,，不難理解為什么說他的這個理論很可能就是真相,。

但宇宙中還有無數(shù)其他復(fù)雜的研究對象。比如,，星系可被分為很多不同規(guī)模的巨型結(jié)構(gòu),，分別被稱作“星系團”（cluster）、“超星系團”（supercluster）和“纖維束”（filament）,，延伸數(shù)億光年之遠,。這些結(jié)構(gòu)之間的邊界及其周圍被稱作“空洞”（cosmic void）的空間可能極其復(fù)雜。引力作用將這些邊界上的物質(zhì)加速到每秒數(shù)千公里,，在星際氣體中產(chǎn)生了駭人的沖擊波和湍流,。通過衡量描述它所需的信息位數(shù)的大小，我們已經(jīng)預(yù)測到絲狀結(jié)構(gòu)與空洞的邊界是宇宙中最復(fù)雜的空間之一,。

這不禁令人深思：宇宙是否比大腦更復(fù)雜,？

所以我們——一個天體物理學(xué)家和一個神經(jīng)科學(xué)家——聯(lián)合起來，對星系網(wǎng)絡(luò)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性進行了一個定量比較,。我們得出的第一個結(jié)果著實驚人：大腦和宇宙不僅在復(fù)雜性上十分相似,，在結(jié)構(gòu)上也是如此。宇宙可能與規(guī)模是其十億億分之一的物體具有自相似性,。

比較大腦和星系團是一個艱難的任務(wù),，因為我們需要處理以截然不同的方式獲得的數(shù)據(jù)：一方面是天文望遠鏡和數(shù)值模擬，另一方面則是電子顯微鏡,、免疫組化和fMRI（功能性磁共振成像）,。

我們還需要考慮規(guī)模上的巨大差異：宇宙網(wǎng)絡(luò)中的所有星系勾勒出一個大型的結(jié)構(gòu)，至少延伸數(shù)百億光年,，這比人腦的規(guī)模大了27個數(shù)量級,。此外，其中的一個星系上還棲息著數(shù)十億大腦,。如果宇宙網(wǎng)絡(luò)至少與它的任何組成部分一樣復(fù)雜,，我們可能會天真地得出結(jié)論：宇宙必須至少和大腦一樣復(fù)雜。

人腦中的神經(jīng)元總數(shù)與可觀測宇宙中的星系數(shù)目大致相同。

但“涌現(xiàn)”（ emergence ）的概念使得這種比較成為可能：許多自然現(xiàn)象在所有尺度上的復(fù)雜性不盡相同,，只有在最大程度上探查蒼穹時,，這張宏偉的宇宙巨網(wǎng)才變得明晰起來,。在較小的尺度上,，物質(zhì)被限定于恒星、行星和（可能存在的）暗物質(zhì)云中,，這種結(jié)構(gòu)就消失了,。不斷演變著的星系對原子內(nèi)電子軌道上的舞蹈漠不關(guān)心，而電子繞核旋轉(zhuǎn),，亦毫不顧及它們所處的星系,。

宇宙就是以這樣的方式容納了許多系統(tǒng)的嵌套，而不同規(guī)模的系統(tǒng)之間幾乎沒有交互,。這種尺度隔離使得我們能在自然尺度上研究物理現(xiàn)象,。

星體、氣體和暗物質(zhì)（其存在有待被證實）由于自身引力形成的光環(huán)是構(gòu)建宇宙網(wǎng)絡(luò)的磚瓦,，可觀測宇宙（observable universe）中的星系總數(shù)在一千億以上,。時空的加速膨脹和其自身引力牽拉之間的平衡使得宇宙擁有了蜘蛛網(wǎng)般的形態(tài)。普通物質(zhì)和暗物質(zhì)凝成弦狀的纖維,，并在其交叉處形成星系團,，余下的大部分空間則空空蕩蕩。最終形成的結(jié)構(gòu)似乎與生物學(xué)有著若隱若現(xiàn)的關(guān)聯(lián),。

直到最近,，文獻中才出現(xiàn)人類大腦中細胞或神經(jīng)元數(shù)量的直接估測值。占大腦80%的皮質(zhì)灰質(zhì)含有60億個神經(jīng)元（是腦神經(jīng)元總數(shù)的19%）和近90億個非神經(jīng)元細胞,；小腦有大約690億個神經(jīng)元細胞（是腦神經(jīng)元總數(shù)的80.2%）和近160億個非神經(jīng)元細胞,。有趣的是，人腦中的神經(jīng)元總數(shù)與可觀測宇宙中的星系數(shù)目大致相同,。

從下圖中,，我們一眼就能看出二者的相似：左邊模擬的是延伸約十億光年的宇宙截面中的物質(zhì)分布，右邊則是一張4微米厚的人類小腦切片,。

○ 圖1:宇宙網(wǎng)絡(luò)物質(zhì)分布模擬圖（左）與小腦神經(jīng)元胞體分布圖（右）,。神經(jīng)元經(jīng)過2F11單克隆抗體染色后顯示出神經(jīng)纖維束（neurofilament）的形態(tài)。右圖由摩德納大學(xué)附屬醫(yī)院解剖病理系的Elena Zunarelli博士提供,。

這種顯而易見的相似,，是否只是因為人類總是傾向于從隨機數(shù)據(jù)發(fā)掘一些看似有意義的模式？（編者按：這種行為又稱 Apophenia,，人類傾向于探知表面上毫無關(guān)聯(lián)的事物之間的內(nèi)在聯(lián)系并賦予其意義,。）然而答案卻是否定的：數(shù)據(jù)分析表明，這兩個系統(tǒng)確實有著可量化的相似度。研究人員使用功率譜分析（power spectrum analysis）技術(shù)來研究大尺度上的星系分布情況,。圖像的功率譜測量的是屬于特定空間尺度的結(jié)構(gòu)波動強度,，換句話說，它能告訴我們每張圖像中有多少高音和低音音符共同交織組成這一首獨特的空間奏鳴曲,。

從圖2的功率譜分析圖像中可以看到令人震驚的一幕：兩個系統(tǒng)波動分布的相似程度非常驚人,，盡管他們相差巨大的數(shù)量級。

不斷演變著的星系對原子內(nèi)電子軌道上的舞蹈漠不關(guān)心,。

小腦中0.1-1mm 范圍內(nèi)的波動分布不禁令人聯(lián)想起數(shù)千億光年內(nèi)的星系分布,。在顯微鏡所能觀察到的最小尺度（大約10微米）下，大腦皮質(zhì)的形態(tài)與幾十萬光年尺度上所看到的星系更加相似,。

相比之下,，其他復(fù)雜系統(tǒng)（包括云、樹枝,、等離子體和湍流的對應(yīng)圖像）的功率譜分析結(jié)果與宇宙網(wǎng)絡(luò)的截然不同,，這些系統(tǒng)的功率譜更加嚴格地依賴尺度，而這可能是它們分形性質(zhì)的表現(xiàn),。這種現(xiàn)象在樹枝分叉和云層形狀中更加明顯,，二者都是非常典型的分形結(jié)構(gòu)，在很大的尺度范圍分布內(nèi)保有自相似性（self-similiarity）,。另一方面,，對于人腦和宇宙這樣的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，它們可觀察到的行為都沒有分形的特征,，這可以被解釋為依賴尺度的自組織結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的依據(jù),。

盡管功率譜的比較結(jié)果很驚人，也不能說明二者的復(fù)雜程度是否相同,。估測某一系統(tǒng)復(fù)雜性的常用方法是衡量預(yù)測其自身反應(yīng)的難度,。通過計算可執(zhí)行這一預(yù)測的最小程序所需的信息位數(shù)，我們可以量化這種復(fù)雜性,。

○ 圖2:將圖1作空間尺度上的波動分布函數(shù)（附加分析了圖1中未示出的人腦皮質(zhì)切片）,。同時示出了云團、樹枝,、等離子體和湍流的功率譜密度以作比較,。

最近，我們中的一位研究者通過數(shù)字模擬宇宙測量出了預(yù)測宇宙演變是多么困難(1),，這個估測表明,，在它（至少是在模擬宇宙中）表現(xiàn)出自組織結(jié)構(gòu)的尺度上，描述整個可觀測宇宙的演變需要大約 1-10PB（1PB=1024TB）,。

估測人腦的復(fù)雜性則難上加難,，因為模擬人腦在全球范圍內(nèi)仍是個極大的挑戰(zhàn),。盡管如此，我們可以認為它的復(fù)雜程度與智力和認知成正比,。根據(jù)對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接的最新分析,，一些研究者得出結(jié)論：成人大腦的記憶存儲總量在 2.5PB 左右，與上文中預(yù)估宇宙所需的 1-10PB 非常接近,。

大致看來,，記憶容量上的相似意味著儲存在人腦中的信息（例如，一個人的全部生命體驗）可以被編碼為宇宙中的星系分布,；反過來說,，一個有人腦記憶容量的計算機也可以在最大尺度上再現(xiàn)這復(fù)雜的宇宙,。

比起其內(nèi)部的星系，宇宙與人腦更相似,；比起神經(jīng)元胞體內(nèi)部,，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與宇宙網(wǎng)絡(luò)也更相似。盡管二者在所處環(huán)境,、物理機制和規(guī)模大小上有巨大差異,，在信息論的研究方法下，人類的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與星系間的宇宙網(wǎng)絡(luò)的相似程度仍令人咋舌,。

這個事實,，是否揭示了某些關(guān)于這兩個系統(tǒng)的層展現(xiàn)象原理的重要之事呢？或許吧,。但我們必須采取半信半疑的態(tài)度,，因為這個分析存在一定的局限性，因為我們?nèi)硬捎玫臏y量方式差異非常大,，且樣本量很小,。

此外，這個分析并未指出兩個系統(tǒng)間的動態(tài)相似性,。構(gòu)建信息在時間和空間內(nèi)的傳遞模型將是接下來的研究關(guān)鍵,。對于宇宙網(wǎng)絡(luò)，這已經(jīng)可以通過數(shù)值模擬實現(xiàn),；對于人腦,，我們需要依靠更多全球樣本的估算數(shù)據(jù)，通常是由較小的部分開始,，再擴大規(guī)模,。在不久的將來，我們的目標是在更復(fù)雜的數(shù)字人腦模型中檢驗這些概念,。

人類大腦計劃（Human Brain Project）這樣的項目致力于模擬整個人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),，而射電天文學(xué)領(lǐng)域的最大企業(yè)Square Kilometer Array 將幫助我們填補其中的一些細節(jié),，并讓我們深入了解宇宙是否比我們以為的更加驚人。

References
1. Vazza, F. On the complexity and the information content of cosmic structures. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 465, 4942-4955 (2017).