脑洞大开，宇宙与大脑竟然有很多相似之处

这两张图片中一个是大脑，另外一个是宇宙，你能告诉我分别是那个吗？

“科学不仅是与精神相容 ，更是一个意义深远的精神来源 ，当我们意识到自己所处在浩瀚的光年和岁月流逝中的位置时 ，当我们领悟到生命的复杂 ，美丽和微妙时 ，那种升华的感觉 ，那种兴奋和谦卑的结合 ，无疑是精神上的”——卡尔·萨根《恶魔出没的世界》。

当我了解宇宙时 ，当我更好地理解我与更广阔的万物的联系时 ，我感觉到了这种精神 ，就像当我第一次知道我是由星辰灰烬组成时——我体内所存在的原子通过超新星扩散到永恒的以太中。

另一次感受到这种精神是当我第一次看到这张图片时：镶嵌在老鼠海马神经元的突触连接（黄色）丽莎·布朗格注明使用 绿色的中央细胞是什么？

直径10微米 B.宇宙网

标尺=31.25Mpc/h 即1.4*1024m

灵感来源于利马（2009）

把大脑中的一个神经元与星系团及其相连的丝状物质和暗物质放在一起对比，相似之处显而易见 ，言外之意 ，你的脑子里可能有整个宇宙 ，但是这些图像之间的相似性可能仅仅只是一种不存在的错觉——感觉相似 ，但实际上并不存在 。毕竟 ，考虑到两者之间存在巨大的规模差异 ，就能想到他们怎么会有实际的相似之处呢。

但是除了大脑中神经元网络和宇宙中的星系网络之间的视觉相似性 ，有没有一种客观的测量方法可以比较它们到底有多相似呢？下面是弗朗哥·瓦扎（博洛尼亚大学的天体物理学家）和阿尔贝托·费雷蒂维罗纳大学的神经外科医生）在《物理学前沿》上发表的发现：一个星系间的连接人脑实际上是宇宙中已知的最复杂的结构之一——它本身也是最复杂的结构之一。大脑有大约800亿个神经元——这些细胞处理来自感官的输入 ，并通过神经系统向你的身体发送信号。神经元也是相互联络的 ，它们通过脑脊髓和树突相互交流 神经元之间大约有100万亿个连接 ，形成了神经网络 ，从而创造了你。

你能分辨出哪一幅图是大脑哪一幅图是宇宙吗？

据说“新月星云”NGC 6888在太空中像一个巨大的大脑。

谢帕特里克CC BY-SA 4.0宇宙也像是由网络连接着的。虽然我们可能认为宇宙是被大片空间隔开的物体，但情况并非完全如此。我们用科学设备看到的宇宙被称为“可观测宇宙”，它的直径约为900亿光年，它包含着数千亿到数万亿个星系。这些星系，像我们的银河系一样，聚集了数十亿颗恒星，这些恒星也组成了星系团。我们的银河系是“本星系群”的一部分，“本星系群”包括邻近的仙女座星系和三角座星系以及其他50个星系。这些星系是室女座超星系团的一部分。星系群和星团之间绵延数百万光年的空间并不是空的，而是由普通物质和暗物质组成的连接丝构成。这样一来，宇宙可以被认为是一个巨大的类似于大脑中的神经网络的所有的星系团都相互连接的星系团网络。这个网络就被称为宇宙网。

从时间的开始到一个宇宙中存在着另一个宇宙，模拟宇宙网络渐渐形成。

在神经科学和天体物理学的合作下，寻找这两个网络可量化相似性的研究诞生了。Vazz和Feletti使用来自这两个学科的技术和工具，研究了这两个网络，他们发现：除了视觉上的相似性之外，还有可量化的相似性。这些网络具有可比性吗?如果有，这意味着什么?

他们使用了4微米厚的人类皮层——大脑的外层，负责处理语言、感觉信息、思维、记忆和意识和从计算机模拟的100万立方百万秒差距的空间中截取的宇宙厚“切片”，“切片”与大脑外层相比较有2500百万差距(1秒差距=约3.26光年)。由于两者的大小相差27个数量级,大脑和宇宙的切片在厚度上是相对可比的。

宇宙网和大脑样本在4倍，10倍和40倍放大

瓦兹和费雷蒂（2020）左：小脑切片，在电子显微镜下放大40倍

E. Zunarelli医生，摩德纳大学医院（右）：宇宙模拟的一部分，每边延展3亿光年。（Vazza et al. 2019 A&A）

根据切片维度不同，结构上的相似度并不总是很明显。但是在40倍放大倍数下的脑组织，研究者开始发现结构上的相似性。40倍放大代表着大脑中0.01-1.6mm大小和宇宙中1-100百万秒差距。现在，神经网络表现出与星系簇的相似性。更进一步来说，这种相似性可以通过两种工具客观地测量和比较。第一种是“网络中心度”，这种方法通过测量给定网络的连接长度和联系等级。某个神经的核心或者中心的半径比轴突和树突的长度小很多。类似的，星系群的半径比连接网长度小很多。为了客观对比这两种网络的第二种方法是“杂波系数”，用来衡量到每个连接节点（神经元或者星系群）的相邻结构的数量，并且在网络中以随机水平对比这些结构。这种比较对比了两个网络中的组织性和随机性。

瓦兹和费雷蒂（2020) Figure 3: “顶板：顶部面板:放大我们示例中的三个网络示例的节点间重建连接的细节(蓝色线条，叠加在密度对比图上)。底部面板:各片的杂波系数和网络中心分布”

“这个宇宙有多大”– 弗雷泽凯恩

今日宇宙运用这些维度的技术，瓦兹和费雷蒂发现了大脑和宇宙“显著的”相似之处。他们还发现，与其他生物和物理结构(包括树的枝干，云的形成动力学或水的湍流)相比，这些网络更像对方。这些其他生物和物理结构分散在大自然中。分形模式是自我重复的，并且无论你观察它们的维度如何，它们看起来都是一样的。相比之下，宇宙在小维度和大维度下看起来完全不同。星系和太阳系和它们所创造的宇宙网看起来并不相似。同理，在不同维度下观察，大脑也并不像神经网络。就如何组织自身而言，维度本身可能对这些结构的建造很重要。

这些图片中一个是大脑一个是宇宙，你能告诉我分别是哪一个吗？

研究人员总结他们的发现“暗示了一个事实，即尽管在空间纬度上存在巨大差异的两个系统，但可以从完全不同的物理过程的相互作用中产生相似的网络结构，从而引起相似水平程度的复杂性和自组织”。

换句话说，像大脑和宇宙这样的网络可能共有相似但在大小上完全不同且由不同过程形成（重力vs生物）的结构，但也有可能是某种事物导致了他们以相似的方式进化与成长。

这种“曼德尔布罗特变焦”是一个无论用什么尺度观察看起来都是相似的分形图案，它不像大脑和宇宙那样在不同尺度上呈现出来却十分的不同。研究人员注意到，在大脑和宇宙网络之间还具有两个有趣的相似之处。

第一个是他们的组成成分比率。大脑77%是水，而类似的，宇宙网络73%是暗能量，水和暗能量并不属于网络本身的一部分，而是被视为被动式材料和被动式能源。被动式材料与能源的存在和比率可能与这些网络如何形成相关。

第二个吸引人的相似之处在于绘制仿真宇宙模型所要求的计算机数据量与理论上人类大脑记忆存储极限量不相上下。模拟可观测宇宙在宇宙网络变得明显的这一尺度上的演化需要1-10拍字节 （1拍字节=1000太字节（TB））之间的数据量。据估计，人脑总体存储容量大约是2.5拍字节。理论上，一个人可以存储相当一部分可观测宇宙结构……在他们的脑子里。或者，甚至更令人叹为观止的是，理论上，宇宙网络可以存储人类一生的经历的数据。

哈勃极端深空视场（XDF）影像展现了有史以来拍摄到的5500个最遥远的星系。——NASA / ESA

宇宙网络和大脑之间既有相似又有不同。我们在研究大脑时使用的样本是大脑皮层，但是整个大脑的物质并不是均匀分布的。大脑中不同的部分有不同的用途，而宇宙的关键特征是：它在几乎所有方向上具有均一性。大脑中神经元之间可以传递感官信息，而宇宙中则有链接用来传输能量和物质。Vazz和Feletti希望他们的研究能够激励人们，以促进算法的发展，从而发现大脑与宇宙之间的更多相似之处。也许将来我们可以了解到，即使两个网络产生的过程完全不同，有一种情况却可以导致它们变得相似。

我们听说Carl Sagan介绍过我们的身体是如何由星星组成的。现在我们开始理解，我们的大脑也可能像我们的身体一样。在你的脑海中，有一个充满紧密联系的宇宙——宇宙中有宇宙，它们互相接触，产生联系。数十亿个神经元接触着数十亿颗星星——当然了，是精神上的。

相关知识

宇宙（拉丁语：universus）是所有空间和时间[a]及其中的内容[10]，包括行星，恒星，星系以及所有其他形式的物质和能量。尽管整个宇宙的大小是未知的[3]，但宇宙的大小是可观测的，目前估计其直径为930亿光年。在平行宇宙假设中，我们生活的宇宙是平行宇宙中的一个，它与其他宇宙没有任何因果联系[11]，它本身包含所有时空及其内容。[12]最早的宇宙学模型是由古希腊和印度哲学家开发的，他们都将地球作为宇宙的中心。[13] [14]几个世纪以来，天文观测越来越精确，使得Nicolaus Copernicus发展了日心说，即太阳才是太阳系的中心。Isaac Newton在发展万有引力定律时，以Copernicus的著作，Johannes Kepler的行星运动定律和Tycho Brahe的观测为基础。

参考

1，暗能量

暗能量是驱动宇宙运动的一种能量。它和暗物质都不会吸收、反射或者辐射光，所以人类无法直接使用现有的技术进行观测。人类对宇宙的研究表明：26.8%的宇宙总质能是由暗物质组成的，暗物质就像胶水一样把所有物质连接在一起。新的一项研究发现，一部分暗物质正在消失，而导致他们消失的原因则是暗能量。暗能量很有可能在消耗着暗物质，如果这一推论正确那这种现象将对宇宙的未来产生重大的影响。宇宙暗能量其基本特征是具有负压，在宇宙空间中几乎均匀分布或完全不结团。在WMAP数据显示，暗能量在宇宙中占总物质的不到70%。

a)宇宙年龄是137±2亿年

b)哈勃常数是71±4公里/秒/Mpc

c)宇宙呈现以下结构，宇宙总质量(100%)≌重子+轻子(4.4%)+热暗物质(≤2%)+冷暗物质(≈20%)+暗能量(不到70%)，而总密度Ω0=1.02±0.02，亦即恰好差不多等同于平直空间所要求的临界密度。（这个公式的意思是，在整个宇宙中我们所看到的星系只占整个宇宙的约4%左右，其余约96%的物质都是我们看不见、不了解的东西。）

d)“暗能量”将呈现一些前所未有的一些全新的性质：物质的状态方程由P=Wρn所表示，(其中P是压力，ρ是密度，W是某一常数，n是某一数值)，普通物质W≥0，P≥0，ρ≥0，这就意味着物质所产生的压力表现为正数、正值。

2，Mandelbrot集合局部放大

Mandelbrot研究中最精彩的部分是1980年他发现的并以他的名字命名的集合，他发现整个宇宙以一种出人意料的方式构成自相似的结构。Mandelbrot 集合图形的边界处，具有无限复杂和精细的结构。如果计算机的精度是不受限制的话，您可以无限地放大她的边界。当你放大某个区域，它的结构就在变化，展现出新的结构元素。这正如前面提到的"蜿蜒曲折的一段海岸线"，无论您怎样放大它的局部，它总是曲折而不光滑，即连续不可微。微积分中抽象出来的光滑曲线在我们的生活中是不存在的。所以说，Mandelbrot集合是向传统几何学的挑战。，这些艺术图案人们称之为"分形艺术"。

3，哈勃极端深场

全称“哈勃极端深空视场”，缩写XDF,又称”哈勃极深场“。2012年9月25日，NASA发布了一张哈勃拍摄的宇宙深处影像即哈勃极端深空场（缩写XDF）。这是美国宇航局（NASA）和欧洲空间局（ESA）合作的哈勃太空望远镜在原先的哈勃超级深空场（HUDF）基础上，选取了10年研究发现的最深远的一块中心区域拍摄的。XDF是我们已知的最深远的宇宙图像，揭示了最遥远最黯淡的星系。

作者：MATTHEW CIMONE

FY：Astronomical volunteer team

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