Нейросеть Вселенной
Автор оригинала: Matthew Cimone
Слева: срез мозжечка с 40-кратным увеличением, полученный с помощью электронной микроскопии (д-р Э. Зунарелли, Университетская больница Модены); справа: срез космологической симуляции с протяженностью 300 миллионов световых лет с каждой стороны (Vazza et al. 2019 A&A).
Одна из этих картинок - мозг, другая - вселенная. Можете ли вы сказать, какая из них какая?
«Наука не только совместима с духовностью; она является глубоким источником духовности. Когда мы осознаем свое место в необъятности световых лет и в течении веков, когда мы постигаем сложность, красоту и тонкость жизни, тогда это парящее чувство, это чувство восторга и смирения, объединенные вместе, несомненно, духовны». - Карл Саган «Мир, полный демонов».
Изучая Вселенную, я чувствовал духовные моменты, как их описывает Саган, поскольку я лучше понимал свою связь с более широким всем. Например, когда я впервые узнал, что я буквально создан из пепла звезд - атомы моего тела распространились в вечный эфир сверхновыми. Другим духовным моментом было увидеть это изображение в первый раз:
Гиппокампальный нейрон мыши, усеянный синаптическими связями (желтый), любезно предоставлен Лизой Буланже, с https://www.eurekalert.org/multimedia/pub/81261.php . Зеленое центральное тело клетки имеет диаметр ? 10 мкм. B. Космическая паутина (Springel et al., 2005). Масштабная линейка = 31,25 Мпк/ч, или 1,4 × 1024 м. Сопоставление вдохновлено Lima (2009).
Нейрон в мозге, сопоставленный со скоплениями галактик и их связанными нитями материи и темной материи. Сходство сразу становится очевидным. Подтекст? У вас может быть целая вселенная в голове. Но сходство между изображениями может быть просто случаем апофении - восприятия сходства там, где его на самом деле нет. В конце концов, как эти две вещи могут быть похожими, учитывая огромную разницу в масштабах между ними? Но что, если за пределами визуального сходства между сетями нейронов в мозге и паутиной галактик в космосе объективное измерение могло бы сравнить, насколько они похожи на самом деле? Именно это Франко Вацца (астрофизик из Болонского университета) и Альберто Фелетти (нейрохирург из Веронского университета) намеревались обнаружить, объединив обе свои дисциплины для публикации в «Frontiers of Physics»(https://www.frontiersin.org/journals/physics/articles/10.3389/fphy.2020.525731/full)
Межгалактическая связь
Человеческий мозг буквально является одной из самых сложных структур, известных во Вселенной, которая сама по себе является величайшей из всех сложных. Ваш мозг имеет около 80 миллиардов нейронов - клеток, которые обрабатывают входные данные от органов чувств и посылают сигналы вашему телу через нервную систему. Нейроны также объединены в сеть, сообщаясь друг с другом через соединения, называемые аксионами и дендритами. Существует порядка 100 триллионов связей между нейронами, образующими нейронную сеть, которая создает то, кем вы являетесь.
Говорят, что NGC 6888, «Туманность Полумесяц», напоминает гигантский мозг в космосе
- Патрик Хсие CC BY-SA 4.0
Вселенная также объединена в сеть. Хотя мы можем думать о пространстве как об объектах, разделенных огромными участками... ну... пространства, это не совсем так. Вселенная, которую мы видим с помощью нашего научного оборудования, называется «Наблюдаемой Вселенной», ее диаметр составляет приблизительно 90 МИЛЛИАРДОВ световых лет, и она содержит порядка сотен миллиардов или нескольких триллионов галактик. Эти галактики, как и наш Млечный Путь, собрания миллиардов звезд, сами по себе сгруппированы в скопления галактик. Наш Млечный Путь является частью «Местной группы», которая содержит соседние галактики Андромеды и Треугольника, а также 50 других галактик. Эти галактики, в свою очередь, являются частью более крупной группы, называемой Сверхскоплением Девы. Пространство между группами и скоплениями не пусто, а содержит соединительные нити как обычной, так и темной материи , которые тянутся на миллионы световых лет. Таким образом, Вселенную можно рассматривать как гигантскую сеть скоплений галактик, которые все связаны между собой подобно нейронным сетям в мозге. Эта сеть называется Космической Паутиной
Моделирование формирования Космической Паутины от начала времен до наших дней
Вселенная внутри Вселенной
Исследование по поиску количественно определяемых сходств между обеими сетями родилось в партнерстве между нейронаукой и астрофизикой. Используя методы и инструменты обеих дисциплин, Вазз и Фелетти рассмотрели эти две сети, чтобы найти количественно определяемые сходства за пределами воспринимаемого визуального сходства. Были ли эти сети сопоставимы, и если да, то что это значит?
Исследователи использовали срезы коры головного мозга человека толщиной 4 микрометра - внешнего слоя мозга, который отвечает за обработку языка, сенсорной информации, мыслей, памяти и сознания. Их сравнили с «срезами» Вселенной толщиной 25 мегапарсек (1 парсек = примерно 3,26 световых года), взятыми из смоделированного на компьютере объема в 1 миллион кубических мегапарсеков пространства. Срезы мозга и Вселенной относительно сопоставимы по толщине, учитывая, что оба они на 27 порядков отличаются друг от друга по размеру.
Образцы космической паутины и мозга при увеличении в 4, 10 и 40 раз
- Вацца Ф. и Фелетти А. (2020)
Слева: срез мозжечка с 40-кратным увеличением, полученный с помощью электронной микроскопии (д-р Э. Зунарелли, Университетская больница Модены); справа: срез космологической симуляции с протяженностью 300 миллионов световых лет с каждой стороны (Vazza et al. 2019 A&A).
В зависимости от масштаба, в котором исследовались срезы, сходство в структуре не всегда было очевидным. Но при 40-кратном увеличении в мозговой ткани исследователи начали видеть сходство в структуре. 40-кратное увеличение представляет масштаб 0,01-1,6 мм в мозге и 1-100 мегапарсеков во Вселенной. Здесь нейронная сеть выглядит как скопления галактик. Более того, сходство сетей можно объективно измерить и сравнить с помощью двух методов. Первый - это «степень центральности сети», которая измеряет длину сетевых соединений и степень связности в данной сети. Ядро или центр нейрона намного меньше по радиусу, чем длина соединяющих аксионов и дендритов. Аналогично, скопления галактик намного меньше по радиусу, чем длина соединяющих нитей. Второй метод объективного сравнения обеих сетей - это «коэффициент кластеризации», который количественно определяет количество структуры, прилегающей к каждому узлу соединения (нейрону или скоплению галактик), и сравнивает эту структуру со случайной точкой внутри сети. Это сравнение противопоставляет организованность и случайность в обеих сетях.
Vazza F и Feletti A (2020) Рисунок 3: «Верхние панели: увеличенные детали реконструированных связей между узлами для трех примеров сетей в нашей выборке (синие линии, наложенные на карты контрастности плотности). Нижние панели: распределения коэффициента кластеризации и степени центральности для всех срезов»
«Насколько велика Вселенная» - Фрейзер Кейн Вселенная сегодня
Применяя методы в этих масштабах, Вазз и Фелетти обнаружили «замечательные» сходства между мозгом и Вселенной. Они также обнаружили, что сети были больше похожи друг на друга, чем другие биологические и физические структуры, включая ветви деревьев, динамику образования облаков или водную турбулентность. Эти другие структуры являются фрактальными по своей природе. Фрактальные узоры самоповторяются и выглядят одинаково независимо от того, в каком масштабе вы их наблюдаете. Напротив, Вселенная выглядит совершенно по-разному в меньших, чем в больших масштабах. Галактики и солнечные системы не похожи на Космическую паутину, которую они создают. Точно так же мозг больше не похож на нейронную сеть при наблюдении в разных масштабах. Сам масштаб может быть важен для создания этих структур с точки зрения того, как они организуются.
Исследователи приходят к выводу, что их выводы «намекают на тот факт, что схожие конфигурации сетей могут возникать из взаимодействия совершенно разных физических процессов, приводя к схожим уровням сложности и самоорганизации, несмотря на резкое различие в пространственных масштабах этих двух систем». Другими словами, сети, такие как мозг и Вселенная, могут иметь схожую структуру, будучи при этом совершенно разными по размеру и сформированными разными процессами (гравитация против биологии). Тем не менее, возможно, что-то заставило их развиваться и расти похожим образом.
Видео в оригинале удаленоЭтот «Масштаб Мандельброта» представляет собой фрактальный узор, который выглядит одинаково независимо от того, в каком масштабе он наблюдается, в отличие от мозга и Вселенной, которые выглядят совершенно по-разному в разных масштабах.
Исследователи отметили еще два интересных сходства между мозгом и Космической паутиной. Первое - это соотношение состава. Мозг на 77% состоит из воды, в то время как Космическая паутина примерно на 73% состоит из темной энергии . Вода и темная энергия не являются частью самой сети, но считаются «пассивным материалом» или пассивной энергией. Наличие и соотношение пассивного материала/энергии могут иметь отношение к тому, как формируются эти сети. Второе интересное сходство заключается в том, что объем компьютерных данных, необходимых для отображения смоделированных моделей Вселенной, сопоставим с теоретическими пределами памяти человеческого мозга. Для моделирования эволюции наблюдаемой Вселенной в масштабах, где Космическая паутина становится очевидной, требуется от 1 до 10 петабайт данных (1 петабайт = 1000 террабайт). Оценки общей емкости хранения человеческого мозга составляют около 2,5 петабайт. Тогда человек теоретически мог бы хранить значительную часть структуры наблюдаемой Вселенной… внутри своего мозга. Или, что еще более удивительно, Космическая паутина теоретически могла бы хранить данные о жизненном опыте человека.
На снимке «eXtreme Deep Field» телескопа Хаббл изображено около 5500 самых
далеких галактик, когда-либо полученных с помощью снимков. - NASA/ESA
Помимо сходств, существуют и различия между Космической паутиной и мозгом. Хотя образцы мозга были взяты из коры, весь мозг неоднороден. Различные части мозга структурированы для разных целей, в то время как ключевой особенностью Вселенной является ее однородность почти во всех направлениях. Связи между нейронами в мозге предназначены для передачи сенсорной информации, в то время как связи во Вселенной передают только энергию и материю. Вазз и Фелетти надеются, что их исследования вдохновят на разработку более мощных алгоритмов, чтобы обнаружить еще больше сходств между мозгом и Вселенной. Возможно, мы узнаем об условиях, которые заставляют две сети, рожденные из совершенно разных процессов, так сильно напоминать друг друга.
Мы слышали, как Карл Саган описывал, что наши тела буквально сделаны из звезд. Теперь мы начинаем понимать, что наши мозги могут быть устроены так же, как они. Целая вселенная связей находится в вашем сознании - вселенная внутри вселенной - и одна способна достичь другой, которая ее породила. Миллиарды нейронов, соприкасающиеся с миллиардами звезд - несомненно, духовно.
Подробнее для изучения:
Реальные смоделированные изображения Вселенной, использованные в исследовании: https://cosmosimfrazza.myfreesites.net/cosmic-web-and-brain-network-datasets
Похож ли человеческий мозг на Вселенную? | EurekAlert! Новости науки
Как вверху, так и внизу Художественная выставка
Чем ваш мозг похож на космическую паутину (nautil.us)
[2008.05942] Изучение связей между космосом и разумом посредством шести интерактивных художественных инсталляций в «Как вверху, так и внизу» (arxiv.org)
Спросите Итана: жива ли сама Вселенная? (forbes.com)
Насколько велика Вселенная? - Вселенная сегодня
[astro-ph/9512141] Как нити вплетаются в космическую паутину (arxiv.org)
Видео моделирования темной материи в Aquarius - ESO
Слева: срез мозжечка с 40-кратным увеличением, полученный с помощью электронной микроскопии (д-р Э. Зунарелли, Университетская больница Модены); справа: срез космологической симуляции с протяженностью 300 миллионов световых лет с каждой стороны (Vazza et al. 2019 A&A).
Одна из этих картинок - мозг, другая - вселенная. Можете ли вы сказать, какая из них какая?
«Наука не только совместима с духовностью; она является глубоким источником духовности. Когда мы осознаем свое место в необъятности световых лет и в течении веков, когда мы постигаем сложность, красоту и тонкость жизни, тогда это парящее чувство, это чувство восторга и смирения, объединенные вместе, несомненно, духовны». - Карл Саган «Мир, полный демонов».
Изучая Вселенную, я чувствовал духовные моменты, как их описывает Саган, поскольку я лучше понимал свою связь с более широким всем. Например, когда я впервые узнал, что я буквально создан из пепла звезд - атомы моего тела распространились в вечный эфир сверхновыми. Другим духовным моментом было увидеть это изображение в первый раз:
Гиппокампальный нейрон мыши, усеянный синаптическими связями (желтый), любезно предоставлен Лизой Буланже, с https://www.eurekalert.org/multimedia/pub/81261.php . Зеленое центральное тело клетки имеет диаметр ? 10 мкм. B. Космическая паутина (Springel et al., 2005). Масштабная линейка = 31,25 Мпк/ч, или 1,4 × 1024 м. Сопоставление вдохновлено Lima (2009).
Нейрон в мозге, сопоставленный со скоплениями галактик и их связанными нитями материи и темной материи. Сходство сразу становится очевидным. Подтекст? У вас может быть целая вселенная в голове. Но сходство между изображениями может быть просто случаем апофении - восприятия сходства там, где его на самом деле нет. В конце концов, как эти две вещи могут быть похожими, учитывая огромную разницу в масштабах между ними? Но что, если за пределами визуального сходства между сетями нейронов в мозге и паутиной галактик в космосе объективное измерение могло бы сравнить, насколько они похожи на самом деле? Именно это Франко Вацца (астрофизик из Болонского университета) и Альберто Фелетти (нейрохирург из Веронского университета) намеревались обнаружить, объединив обе свои дисциплины для публикации в «Frontiers of Physics»(https://www.frontiersin.org/journals/physics/articles/10.3389/fphy.2020.525731/full)
Межгалактическая связь
Человеческий мозг буквально является одной из самых сложных структур, известных во Вселенной, которая сама по себе является величайшей из всех сложных. Ваш мозг имеет около 80 миллиардов нейронов - клеток, которые обрабатывают входные данные от органов чувств и посылают сигналы вашему телу через нервную систему. Нейроны также объединены в сеть, сообщаясь друг с другом через соединения, называемые аксионами и дендритами. Существует порядка 100 триллионов связей между нейронами, образующими нейронную сеть, которая создает то, кем вы являетесь.
Говорят, что NGC 6888, «Туманность Полумесяц», напоминает гигантский мозг в космосе
- Патрик Хсие CC BY-SA 4.0
Вселенная также объединена в сеть. Хотя мы можем думать о пространстве как об объектах, разделенных огромными участками... ну... пространства, это не совсем так. Вселенная, которую мы видим с помощью нашего научного оборудования, называется «Наблюдаемой Вселенной», ее диаметр составляет приблизительно 90 МИЛЛИАРДОВ световых лет, и она содержит порядка сотен миллиардов или нескольких триллионов галактик. Эти галактики, как и наш Млечный Путь, собрания миллиардов звезд, сами по себе сгруппированы в скопления галактик. Наш Млечный Путь является частью «Местной группы», которая содержит соседние галактики Андромеды и Треугольника, а также 50 других галактик. Эти галактики, в свою очередь, являются частью более крупной группы, называемой Сверхскоплением Девы. Пространство между группами и скоплениями не пусто, а содержит соединительные нити как обычной, так и темной материи , которые тянутся на миллионы световых лет. Таким образом, Вселенную можно рассматривать как гигантскую сеть скоплений галактик, которые все связаны между собой подобно нейронным сетям в мозге. Эта сеть называется Космической Паутиной
Моделирование формирования Космической Паутины от начала времен до наших дней
Вселенная внутри Вселенной
Исследование по поиску количественно определяемых сходств между обеими сетями родилось в партнерстве между нейронаукой и астрофизикой. Используя методы и инструменты обеих дисциплин, Вазз и Фелетти рассмотрели эти две сети, чтобы найти количественно определяемые сходства за пределами воспринимаемого визуального сходства. Были ли эти сети сопоставимы, и если да, то что это значит?
Исследователи использовали срезы коры головного мозга человека толщиной 4 микрометра - внешнего слоя мозга, который отвечает за обработку языка, сенсорной информации, мыслей, памяти и сознания. Их сравнили с «срезами» Вселенной толщиной 25 мегапарсек (1 парсек = примерно 3,26 световых года), взятыми из смоделированного на компьютере объема в 1 миллион кубических мегапарсеков пространства. Срезы мозга и Вселенной относительно сопоставимы по толщине, учитывая, что оба они на 27 порядков отличаются друг от друга по размеру.
Образцы космической паутины и мозга при увеличении в 4, 10 и 40 раз
- Вацца Ф. и Фелетти А. (2020)
Слева: срез мозжечка с 40-кратным увеличением, полученный с помощью электронной микроскопии (д-р Э. Зунарелли, Университетская больница Модены); справа: срез космологической симуляции с протяженностью 300 миллионов световых лет с каждой стороны (Vazza et al. 2019 A&A).
В зависимости от масштаба, в котором исследовались срезы, сходство в структуре не всегда было очевидным. Но при 40-кратном увеличении в мозговой ткани исследователи начали видеть сходство в структуре. 40-кратное увеличение представляет масштаб 0,01-1,6 мм в мозге и 1-100 мегапарсеков во Вселенной. Здесь нейронная сеть выглядит как скопления галактик. Более того, сходство сетей можно объективно измерить и сравнить с помощью двух методов. Первый - это «степень центральности сети», которая измеряет длину сетевых соединений и степень связности в данной сети. Ядро или центр нейрона намного меньше по радиусу, чем длина соединяющих аксионов и дендритов. Аналогично, скопления галактик намного меньше по радиусу, чем длина соединяющих нитей. Второй метод объективного сравнения обеих сетей - это «коэффициент кластеризации», который количественно определяет количество структуры, прилегающей к каждому узлу соединения (нейрону или скоплению галактик), и сравнивает эту структуру со случайной точкой внутри сети. Это сравнение противопоставляет организованность и случайность в обеих сетях.
Vazza F и Feletti A (2020) Рисунок 3: «Верхние панели: увеличенные детали реконструированных связей между узлами для трех примеров сетей в нашей выборке (синие линии, наложенные на карты контрастности плотности). Нижние панели: распределения коэффициента кластеризации и степени центральности для всех срезов»
«Насколько велика Вселенная» - Фрейзер Кейн Вселенная сегодня
Применяя методы в этих масштабах, Вазз и Фелетти обнаружили «замечательные» сходства между мозгом и Вселенной. Они также обнаружили, что сети были больше похожи друг на друга, чем другие биологические и физические структуры, включая ветви деревьев, динамику образования облаков или водную турбулентность. Эти другие структуры являются фрактальными по своей природе. Фрактальные узоры самоповторяются и выглядят одинаково независимо от того, в каком масштабе вы их наблюдаете. Напротив, Вселенная выглядит совершенно по-разному в меньших, чем в больших масштабах. Галактики и солнечные системы не похожи на Космическую паутину, которую они создают. Точно так же мозг больше не похож на нейронную сеть при наблюдении в разных масштабах. Сам масштаб может быть важен для создания этих структур с точки зрения того, как они организуются.
Исследователи приходят к выводу, что их выводы «намекают на тот факт, что схожие конфигурации сетей могут возникать из взаимодействия совершенно разных физических процессов, приводя к схожим уровням сложности и самоорганизации, несмотря на резкое различие в пространственных масштабах этих двух систем». Другими словами, сети, такие как мозг и Вселенная, могут иметь схожую структуру, будучи при этом совершенно разными по размеру и сформированными разными процессами (гравитация против биологии). Тем не менее, возможно, что-то заставило их развиваться и расти похожим образом.
Видео в оригинале удаленоЭтот «Масштаб Мандельброта» представляет собой фрактальный узор, который выглядит одинаково независимо от того, в каком масштабе он наблюдается, в отличие от мозга и Вселенной, которые выглядят совершенно по-разному в разных масштабах.
Исследователи отметили еще два интересных сходства между мозгом и Космической паутиной. Первое - это соотношение состава. Мозг на 77% состоит из воды, в то время как Космическая паутина примерно на 73% состоит из темной энергии . Вода и темная энергия не являются частью самой сети, но считаются «пассивным материалом» или пассивной энергией. Наличие и соотношение пассивного материала/энергии могут иметь отношение к тому, как формируются эти сети. Второе интересное сходство заключается в том, что объем компьютерных данных, необходимых для отображения смоделированных моделей Вселенной, сопоставим с теоретическими пределами памяти человеческого мозга. Для моделирования эволюции наблюдаемой Вселенной в масштабах, где Космическая паутина становится очевидной, требуется от 1 до 10 петабайт данных (1 петабайт = 1000 террабайт). Оценки общей емкости хранения человеческого мозга составляют около 2,5 петабайт. Тогда человек теоретически мог бы хранить значительную часть структуры наблюдаемой Вселенной… внутри своего мозга. Или, что еще более удивительно, Космическая паутина теоретически могла бы хранить данные о жизненном опыте человека.
На снимке «eXtreme Deep Field» телескопа Хаббл изображено около 5500 самых
далеких галактик, когда-либо полученных с помощью снимков. - NASA/ESA
Помимо сходств, существуют и различия между Космической паутиной и мозгом. Хотя образцы мозга были взяты из коры, весь мозг неоднороден. Различные части мозга структурированы для разных целей, в то время как ключевой особенностью Вселенной является ее однородность почти во всех направлениях. Связи между нейронами в мозге предназначены для передачи сенсорной информации, в то время как связи во Вселенной передают только энергию и материю. Вазз и Фелетти надеются, что их исследования вдохновят на разработку более мощных алгоритмов, чтобы обнаружить еще больше сходств между мозгом и Вселенной. Возможно, мы узнаем об условиях, которые заставляют две сети, рожденные из совершенно разных процессов, так сильно напоминать друг друга.
Мы слышали, как Карл Саган описывал, что наши тела буквально сделаны из звезд. Теперь мы начинаем понимать, что наши мозги могут быть устроены так же, как они. Целая вселенная связей находится в вашем сознании - вселенная внутри вселенной - и одна способна достичь другой, которая ее породила. Миллиарды нейронов, соприкасающиеся с миллиардами звезд - несомненно, духовно.
Подробнее для изучения:
Реальные смоделированные изображения Вселенной, использованные в исследовании: https://cosmosimfrazza.myfreesites.net/cosmic-web-and-brain-network-datasets
Похож ли человеческий мозг на Вселенную? | EurekAlert! Новости науки
Как вверху, так и внизу Художественная выставка
Чем ваш мозг похож на космическую паутину (nautil.us)
[2008.05942] Изучение связей между космосом и разумом посредством шести интерактивных художественных инсталляций в «Как вверху, так и внизу» (arxiv.org)
Спросите Итана: жива ли сама Вселенная? (forbes.com)
Насколько велика Вселенная? - Вселенная сегодня
[astro-ph/9512141] Как нити вплетаются в космическую паутину (arxiv.org)
Видео моделирования темной материи в Aquarius - ESO