"Вспышка гениальности": космологи открывают тайны мозга

МОСКВА, 15 июл — РИА Новости, Николай Гурьянов. Структуры мозга и наблюдаемой Вселенной удивительно похожи — по крайней мере, на первый взгляд. Одни ученые пытаются подтвердить это цифрами, другие — применить методы из астрофизики в нейронауке. Что из этого получается — в материале РИА Новости.

Что общего у мозга и космоса

Мозг напоминает Вселенную — такое впечатление может сложиться, если сравнить изображение нейрона и космоса. Итальянские ученые попытались подтвердить это внешнее сходство количественно. Франко Вазза, астрофизик из Болонского университета, и нейрохирург из Университета Вероны Альберто Фелетти в 2020-м опубликовали в журнале Frontiers of Physics очень смелую работу.

© Center for Brain Injury and Repair, University of Pennsylvania School of Medicine / Springel et al., Virgo Consortium

Нейроны мозга и модель Вселенной

Разница в размерах двух структур — 27 порядков. Человеческий мозг функционирует благодаря сети из 69 миллиардов нейронов. Наблюдаемая Вселенная состоит из по меньшей мере 100 миллиардов галактик. Причем только 30 процентов массы и энергии обеих систем приходится на галактики и нейроны, которые выстраиваются в длинные нити и узлы. Семьдесят процентов обеспечивают пассивные компоненты: вода в мозге и темная энергия в космосе.

Исходя из этого, исследователи сравнили модель сети галактик с участками коры головного мозга и мозжечка. И проанализировали, как флуктуации материи рассеиваются в таких разных масштабах.

"Мы рассчитали спектральную плотность обеих систем. Этот метод часто используется в космологии для изучения пространственного распределения галактик, — объясняет Франко Вазза. — Наш анализ показал, что распределение колебаний внутри нейронной сети мозжечка в масштабе от одного микрометра до 0,1 миллиметра следует той же прогрессии, что и материя в космической сети в диапазоне от пяти до 500 миллионов световых лет".

© University of Bologna

Слева: срез мозжечка с 40-кратным увеличением, полученный с помощью электронной микроскопии. Справа: фрагмент космологического моделирования, одна сторона равна 300 миллионам световых лет

Ученые рассмотрели другие морфологические особенности, в частности число нитей, связанных с каждым узлом. В космосе в среднем — 3,8-4,1 соединения на узел, в коре головного мозга — 4,6-5,4. Кроме того, в обеих системах есть склонность к кластеризации вокруг центральных узлов.

Судя по всему, информационная емкость обеих структур близкая. Память человеческого мозга — около 2,5 петабайта. Вазза подсчитал, что для хранения статистической сложности Вселенной (то есть информации о количестве объектов, входящих в систему, и связей между ними) нужно порядка 4,3 петабайта.

"Грубо говоря, — писали исследователи в 2017-м, — это означает, что информация, которая содержится в мозге (а это весь жизненный опыт человека), также может быть закодирована в распределении галактик нашей Вселенной".

Апофения вселенских масштабов

Это, конечно же, не доказательство того, что Вселенная является мозгом или наоборот. Скорее всего, причина сходства — в общности физических законов, полагают ученые.

Известно, что структуры разных размеров складываются в узоры, описываемые одной математической формулой. Например, Млечный Путь и ушная улитка человека закручены в так называемую спираль Фибоначчи. Уравнений для нейронов и галактик еще нет, но Вазза и Фелетти считают эту задачу решаемой.

"Вероятно, обе сети развиваются по схожим физическим принципам, несмотря на очевидную разницу между природой сил, управляющих галактиками и нейронами", — отмечает Фелетти.

Впрочем, не стоит забывать об апофении — желании видеть связи там, где их нет. Предположение о том, что мозг и Вселенная устроены одинаково, звучит достаточно вызывающе. К тому же сложно представить специалиста, одинаково хорошо разбирающегося и в астрофизике, и в науке о мозге. Так что эта теория остается в науке маргинальной. Нейробиолог, академик РАН Константин Анохин убежден, что в данном случае говорить о схожести двух структур нельзя.

«

"При желании можно найти такие уровни сопоставления, что человеческое общество будет похоже на груду песка. И выявить в этом математические закономерности. Только смысла в том никакого нет", — говорит он.

Психофизиолог Александр Каплан также считает, что сравнение двух систем некорректно.

"На изображениях (из работ Ваззы и Фелетти. — Прим. ред.) я не вижу большего сходства, чем если сравнивать с кофейной гущей, морозными узорами на стекле, муравьиными тропами и так далее, — говорит он. — Важно, что межнейронные связи формируются для информационно-аналитической сети, а это не имеет отношения к принципам построения других картинок".

Вспышка гениальности

Тем временем космологи помогают разгадывать тайны нейронных сетей. Американец Тиртабир Бисвас сделал карьеру успешного физика-теоретика в сфере высоких энергий. Однако в последнее время его интерес к этой области знаний угас: космолог счел, что ответы на основные вопросы уже даны. А вот теория мозга — другое дело. "Нейронаука сегодня напоминает физику столетней давности, когда много данных, но мало понимания, что происходит. Это захватывающе", — говорит он.

По просьбе Джеймса Фицджеральда из Медицинского института Говарда Хьюза (штат Мэриленд) Бисвас занялся разработкой математического аппарата для описания связей между клетками мозга. Таких соединений в человеческом мозгу в сотни раз больше, чем звезд в Млечном Пути. Принцип их функционирования — одна из главных загадок нейробиологии, ограничивающая возможности ученых в разработке эффективного лечения психических заболеваний и создании более совершенного искусственного интеллекта.

Фицджеральд уехал из города на несколько дней, а Бисвас уединился с ручкой и бумагой. Он воспользовался многомерной геометрией — это новый подход для нейробиологов, обычно полагающихся на другие способы вычислений, отмечается в пресс-релизе института.

Когда научный руководитель вернулся, космолог показал ему результаты. Поначалу Фицджеральд был настроен скептически, но вскоре понял, что приглашенный специалист действительно наткнулся на что-то важное.

"Это была вспышка гениальности. Благодаря междисциплинарному мышлению он пришел к пониманию того, как действуют эти сети, чего раньше никому не удавалось", — подчеркивает Фицджеральд.

Идея Бисваса помогла команде ученых разработать новый способ выявления существенных связей между клетками мозга. Статья об этом вышла 29 июня в журнале Physical Review Research.

Анализируя нейронные сети — математические модели, имитирующие работу мозга, исследователи рассмотрели, как входные данные в них преобразуются в выходные. К первым может относиться сигнал, обнаруженный глазом, а ко вторым — результирующая активность мозга. Ученые проверили, какие паттерны связей приводят к одному и тому же преобразованию ввода-вывода.

Как и ожидалось, для каждой комбинации существовало бесконечное число возможных соединений, но также обнаружилось, что определенные связи проявлялись во всех комбинациях. Ученые предполагают, что такие соединения более значимы, чем остальные. Дальнейшие исследования в этом направлении помогут понять, как именно нейронные сети выполняют вычисления.

Пресс-релиз об этой работе вышел с заголовком "Космологическое мышление встречается с нейронаукой в новой теории мозговых связей". Однако российские нейробиологи не видят особой новизны в подходе и результатах исследования.

«

"Коллега просто использовал применявшиеся им в физике методы расчета множественных корреляций для определения связностей между большими массивами нейронов в мозге", — отмечает Каплан.

По его словам, во множестве других работ применяют самые разные подходы к изучению мозга. В этой сложной системе, как и в наблюдаемой Вселенной, еще много нераскрытых тайн. И в этом они точно похожи.