La strana somiglianza tra reti di Neuroni e Galassie

I ricordi della tua vita potrebbero, in linea di principio, essere archiviati nella struttura dell’universo.

Traduzione in italiano di un articolo a firma di

DI FRANCO VAZZA E ALBERTO FELETTI

PHOTO COLLAGE DI FRANCESCO IZZO

20 LUGLIO 2017

Christof Koch, uno dei principali ricercatori sulla coscienza e sul cervello umano, ha notoriamente definito il cervello “l’oggetto più complesso nell’universo conosciuto”. Non è difficile capire perché ciò potrebbe essere vero. Con cento miliardi di neuroni e cento trilioni di connessioni, il cervello è un oggetto straordinariamente complesso.

Ma ci sono molti altri oggetti complicati nell’universo. Ad esempio, le galassie possono raggrupparsi in enormi strutture (chiamate cluster, superclusters e filamenti) che si estendono per centinaia di milioni di anni luce. Il confine tra queste strutture e i vicini tratti di spazio vuoto chiamati vuoti cosmici può essere estremamente complesso. ¹ La gravità accelera la materia fino alla velocità di migliaia di chilometri al secondo, creando onde d’urto e turbolenze nei gas intergalattici. Abbiamo predetto che il confine dei filamenti di vuoto è uno dei volumi più complessi dell’universo, misurato dal numero di bit di informazioni necessari per descriverlo.

Questo ci ha fatto domandare: è più complesso del cervello?

Quindi noi – un astrofisico e un neuroscienziato – abbiamo unito le forze per confrontare quantitativamente la complessità delle reti di galassie e delle reti neuronali. I primi risultati del nostro confronto sono davvero sorprendenti: non solo le complessità del cervello e del web cosmico sono simili, ma lo sono anche le loro strutture. L’universo può essere auto-simile su scale che differiscono per dimensioni di un fattore di un miliardo di miliardi di miliardi.

Il compito di confrontare cervelli e ammassi di galassie è difficile. Per prima cosa richiede di trattare i dati ottenuti in modi drasticamente diversi: telescopi e simulazioni numeriche da un lato, microscopia elettronica, immunoistochimica e risonanza magnetica funzionale dall’altro.

E’ necessario anche di considerare scale enormemente differenti: l’interezza del web cosmico – la struttura su larga scala tracciata da tutte le galassie dell’universo – si estende per almeno alcune decine di miliardi di anni luce. Questo è 27 ordini di grandezza più grande del cervello umano. Inoltre, ciacuna di queste galassie ospita miliardi di cervelli effettivi. Se la rete cosmica è almeno altrettanto complessa di una qualsiasi delle sue parti costituenti, potremmo ingenuamente concludere che deve essere almeno altrettanto complessa del cervello.

Il numero totale di neuroni nel cervello umano cade nello stesso campo del numero di galassie nell’universo osservabile.

Ma il concetto di emergenza rende possibile il paragone. Molti fenomeni naturali non sono ugualmente complessi alle diverse scale. La maestosa rete del web cosmico diventa evidente solo quando il cielo viene esaminato per la sua intera estensione. Su scale più piccole, con la materia chiusa in stelle, pianeti e (probabilmente) nuvole di materia oscura, questa struttura è dispersa. Una galassia in evoluzione non si preoccupa della danza degli orbitali elettronici all’interno degli atomi, e gli elettroni si muovono attorno ai loro nuclei senza riguardo al sistema galattico in cui risiedono.

In questo modo, l’universo contiene molti sistemi annidati nei sistemi, con poca o nessuna interazione su scale diverse. Questa segregazione di scala ci consente di studiare i fenomeni fisici mentre emergono alla loro scala naturale.

Gli elementi costitutivi della rete cosmica sono gli aloni auto-gravitanti di stelle, gas e materia oscura (la cui esistenza deve ancora essere definitivamente dimostrata). In totale, il numero di galassie nell’universo osservabile dovrebbe essere dell’ordine di 100 miliardi. L’equilibrio tra l’accelerazione dell’espansione del tessuto dello spaziotempo e l’attrazione dell’auto-gravità conferisce a questa rete il suo aspetto simile a una ragnatela. La materia ordinaria e la materia oscura si condensano in filamenti simili a cordicelle e gruppi di galassie si formano nelle intersezioni dei filamenti, lasciando praticamente vuota la maggior parte del volume rimanente.

La struttura risultante ha un aspetto vagamente biologico.

Una stima diretta del numero di cellule o neuroni nel cervello umano non era disponibile in letteratura fino a poco tempo fa. La materia grigia corticale (che rappresenta oltre l’80% della massa cerebrale) contiene circa 6 miliardi di neuroni (19% dei neuroni del cervello) e circa 9 miliardi di cellule non neuronali. Il cervelletto ha circa 69 miliardi di neuroni (80,2 per cento dei neuroni del cervello) e circa 16 miliardi di cellule non neuronali. È interessante notare che il numero totale di neuroni nel cervello umano cade nello stesso campo del numero di galassie nell’universo osservabile.

L’occhio coglie immediatamente alcune somiglianze tra le immagini della rete cosmica e il cervello. Nella Figura 1 mostriamo una distribuzione simulata di materia cosmica in una fetta di 1 miliardo di anni luce, insieme a un’immagine reale di una fetta di 4 micrometri (μm) attraverso il cervelletto umano.

L’apparente somiglianza è solo la tendenza umana a percepire modelli significativi in dati casuali (apofenia)? Sorprendentemente, la risposta sembra essere negativa: l’analisi statistica mostra che questi sistemi presentano effettivamente somiglianze quantitative. I ricercatori usano regolarmente una tecnica chiamata analisi dello spettro di potenza per studiare la distribuzione su larga scala delle galassie. Lo spettro di potenza di un’immagine misura la forza delle fluttuazioni strutturali appartenenti a una specifica scala spaziale. In altre parole, ci dice quante note ad alta frequenza e bassa frequenza fanno la particolare melodia spaziale di ciascuna immagine.

Un sorprendente messaggio emerge dal grafico dello spettro di potenza nella Figura 2 (sotto): La distribuzione relativa delle fluttuazioni nelle due reti è notevolmente simile, su diversi ordini di grandezza.

Una galassia in evoluzione non si preoccupa della danza degli orbitali elettronici all’interno degli atomi.

La distribuzione delle fluttuazioni nel cervelletto a scaglie di 0,1-1 mm ricorda la distribuzione della galassia su centinaia di miliardi di anni luce. Alle più piccole scale disponibili per l’osservazione microscopica (circa 10 μm), è la morfologia della corteccia che si avvicina di più a quella delle galassie, su scale di poche centinaia di migliaia di anni luce.

In confronto, gli spettri di potenza di altri sistemi complessi (comprese le immagini proiettate di nuvole, rami di alberi e turbolenze di plasma e acqua) sono molto diversi da quelli del web cosmico. Gli spettri di potenza di questi altri sistemi mostrano una maggiore dipendenza dalla scala, che può essere una manifestazione della loro natura frattale. Ciò è particolarmente evidente per la distribuzione di rami negli alberi e nel modello di nuvole, entrambi ben noti per essere sistemi simili a frattali con auto-somiglianza attraverso una grande varietà di scale. Per le complesse reti del web cosmico e del cervello umano, d’altra parte, il comportamento osservato non è frattale, ciò può essere interpretato come evidenza dell’emergere di strutture auto-organizzate dipendenti dalla scala.

Per quanto notevole sia il confronto dello spettro di potenza, non ci dice se i due sistemi sono ugualmente complessi. Un modo pratico per stimare la complessità di una rete è misurare quanto sia difficile prevederne il comportamento. Questo può essere quantificato contando quanti bit di informazioni sono necessari per costruire il più piccolo programma possibile per computer in grado di eseguire tale previsione.

Uno di noi due ha recentemente misurato quanto sia difficile prevedere come si evolverà la rete cosmica, basata sull’evoluzione digitale di un universo simulato. ¹ Questa stima suggerisce che sono necessari da 1 a 10 petabyte di dati per descrivere l’evoluzione dell’intero universo osservabile alla scala in cui emerge la sua auto-organizzazione (o almeno la sua controparte simulata).

Stimare la complessità del cervello umano è molto più difficile, perché le simulazioni globali del cervello rimangono una sfida non ancora vinta. Tuttavia, possiamo sostenere che la complessità è proporzionale all’intelligenza e alla cognizione. Sulla base dell’ultima analisi della connettività della rete cerebrale, studi indipendenti hanno concluso che la capacità di memoria totale del cervello umano adulto dovrebbe essere di circa 2,5 petabyte, non lontano dalla gamma di 1-10 petabyte stimata per il web cosmico!

In parole povere, questa somiglianza nella capacità di memoria significa che l’intero corpo di informazioni che è memorizzato in un cervello umano (per esempio, l’intera esperienza di vita di una persona) può anche essere codificato nella distribuzione delle galassie nel nostro universo. O, al contrario, che un dispositivo di calcolo con la capacità di memoria del cervello umano può riprodurre la complessità visualizzata dall’universo alle sue scale più grandi.

E’ un fatto veramente notevole che il web cosmico è più simile al cervello umano di quanto lo sia all’interno di una galassia; o che la rete neuronale è più simile al web cosmico che non all’interno di un corpo neuronale. Nonostante le straordinarie differenze nel substrato, nei meccanismi fisici e nelle dimensioni, la rete neuronale umana e la rete cosmica delle galassie, se considerate con gli strumenti della teoria dell’informazione, sono sorprendentemente simili.

Questo fatto ci dice qualcosa di profondo sulla fisica dei fenomeni emergenti nei due sistemi? Può essere. Ma dobbiamo prendere questi risultati con un pizzico di sale. La nostra analisi è stata limitata a piccoli campioni presi con tecniche di misurazione molto diverse.

Inoltre, la nostra analisi non punta a una somiglianza dinamica tra questi sistemi. Un modello di come le informazioni fluiscono attraverso le scale spaziali e il tempo nei due sistemi sarà il test cruciale. Questo è già possibile per il web cosmico attraverso simulazioni numeriche. Per il cervello umano dobbiamo fare affidamento su più stime globali, di solito derivate da porzioni più piccole che vengono poi ridimensionate verso l’alto. Nel prossimo futuro puntiamo a testare questi concetti in modelli numerici più sofisticati del cervello umano.

Programmi come Human Brain Project, progettati per simulare un’intera rete neuronale umana, e Square Kilometer Array, la più grande impresa mai esistita in radioastronomia, ci aiuteranno a riempire alcuni di questi dettagli e capire se l’universo è ancora più sorprendente di come lo abbiamo pensato.

Franco Vazza collabora con il Marie Curie Slodowska Action di Horizon 2020, presso l’Istituto Radio Astronomy, INAF, Bologna, Italia.

Alberto Feletti è membro del dipartimento di neurochirurgia dell’ospedale NOCSAE, Azienda Ospedaliero-Universitaria di Modena, Italia.

Siamo grati alla dott.ssa Elena Zunarelli (Dipartimento di Patologia Anatomica, Policlinico di Modena, Modena, Italia) per la produzione delle fette attraverso la corteccia e il cervelletto in Figura 1.

Riferimenti

1. Vazza, F. Sulla complessità e il contenuto informativo delle strutture cosmiche. Avvisi mensili della Royal Astronomical Society 465 , 4942-4955 (2017).