'Tiede ei ole yhteensopiva vain henkisyyden kanssa; se on syvällinen henkisyyden lähde. Kun tunnistamme paikkamme suunnattomassa valovuosissa ja aikojen kulussa, kun ymmärrämme elämän monimutkaisuuden, kauneuden ja hienovaraisuuden, niin tuo huipuva tunne, se riemuitsemisen ja nöyryyden tunne yhdistettynä on varmasti henkistä.' –Carl Sagan 'Demonien kummittelema maailma.'
Universumista oppiessani olen tuntenut henkisiä hetkiä, kuten Sagan niitä kuvailee, kun ymmärrän paremmin yhteyteni laajempaan kaikkeen. Kuten silloin, kun sain ensimmäisen kerran tietää, että olen kirjaimellisesti tehty tähtien tuhkasta – kehossani olevat atomit levisivät supernovien avulla ikuiseen eetteriin. Toinen henkinen hetki oli tämän kuvan näkeminen ensimmäistä kertaa:
Hippokampuksen hiiren neuroni, jossa on synaptisia yhteyksiä (keltainen), Lisa Boulanger, alkaen https://www.eurekalert.org/multimedia/pub/81261.php . Vihreä keskussolurunko on ? 10µm halkaisijaltaan. B. Kosminen verkko (Springel et ai., 2005). Mittakaava = 31,25 Mpc/h eli 1,4 × 1024 m. Liman (2009) inspiroima rinnastus.
Aivoissa oleva neuroni, joka on rinnakkain galaksiklustereiden ja niihin liittyvien aineen ja pimeän aineen filamenttien kanssa. Yhdennäköisyys on heti selvä. Seuraus? Päässäsi voi olla kokonainen universumi. Mutta kuvien samankaltaisuus voi yksinkertaisesti johtua apofenia – samankaltaisuuden havaitseminen siellä, missä sitä ei todellisuudessa ole. Loppujen lopuksi kuinka nämä kaksi asiaa voivat olla samanlaisia, kun otetaan huomioon niiden välinen suuri mittakaavaero? Mutta entä jos aivojen neuroniverkkojen ja kosmoksen galaksiverkkojen välisen visuaalisen samankaltaisuuden lisäksi objektiivisella mittauksella voitaisiin verrata, kuinka samanlaisia ne todella ovat? Sitä Franco Vazza (astrofyysikko Bolognan yliopistosta) ja Alberto Feletti (Veronan yliopiston neurokirurgi) päättivät löytää yhdistävänsä molemmat tieteenalojaan julkaisuun 'Fysiikan rajat.'
Intergalaktinen linkki
Ihmisaivot ovat kirjaimellisesti yksi monimutkaisimmista maailmankaikkeuden tunnetuista rakenteista – mikä on itsekin monimutkaisin. Aivoissasi on noin 80 miljardia neuronia – soluja, jotka käsittelevät aisteista tulevaa syötettä ja lähettävät signaaleja kehollesi hermoston kautta. Neuronit ovat myös verkottuneita ja kommunikoivat keskenään yhteyksien kautta, joita kutsutaan aksioneiksi ja dendriiteiksi. Neuronien välillä on luokkaa 100 biljoonaa yhteyttä, jotka muodostavat sen hermoverkon, joka luo sinut kuka olet.
NGC 6888:n 'Crescent-sumun' on sanottu muistuttavan jättimäisiä aivoja avaruudessa
- Patrick Hsieh CC BY-SA 4.0
Universumi on myös verkottunut. Vaikka saatamme ajatella avaruutta objekteina, joita erottavat suuret… no… avaruusalueet, se ei ole täysin totta. Tieteellisillä laitteillamme näkemäämme maailmankaikkeutta kutsutaan 'havaittavaksi maailmankaikkeudeksi', jonka halkaisija on noin 90 MILJARDIA valovuotta ja joka sisältää luokkaa satoja miljardeja - muutama biljoona galakseja. Nämä galaksit, kuten Linnunrattamme, miljardien tähtien kokoelmat, ovat itse ryhmitelty galaksiklustereihin. Linnunrattamme on osa 'paikallista ryhmää', joka sisältää naapuri galaksit Andromeda ja Triangulum sekä 50 muuta galaksia. Nuo galaksit ovat puolestaan osa suurempaa ryhmää nimeltä Neitsyt-superjoukko. Ryhmien ja klustereiden välinen tila ei ole tyhjä, vaan pikemminkin isännät yhdistävät filamentteja sekä tavallisista että klustereista pimeä aine jotka ulottuvat miljoonia valovuosia. Tällä tavalla maailmankaikkeutta voidaan pitää jättimäisenä galaksiklustereiden verkostona, jotka kaikki ovat yhteydessä toisiinsa samalla tavalla kuin aivojen hermoverkot. Tätä verkkoa kutsutaan nimellä Kosminen verkko .
Simulaatio kosmisen verkon muodostumisesta aikojen alusta nykypäivään
Universumi universumin sisällä
Tutkimus, jonka tarkoituksena oli löytää määrällisiä yhtäläisyyksiä molempien verkostojen välillä, syntyi neurotieteen ja astrofysiikan kumppanuudessa. Käyttämällä molempien tieteenalojen tekniikoita ja työkaluja, Vazz ja Feletti tarkastelivat näitä kahta verkostoa löytääkseen mitattavissa olevia yhtäläisyyksiä havaitun visuaalisen samankaltaisuuden lisäksi. Ovatko nämä verkot vertailukelpoisia, ja jos oli, mitä se tarkoittaa?
Tutkijat käyttivät 4 mikrometrin paksuisia viipaleita ihmisen aivokuoresta – aivojen ulkokerroksesta, joka on vastuussa kielen, aistitietojen, ajattelun, muistin ja tietoisuuden käsittelystä. Näitä verrattiin 25 megaparsekin (1 parsek = noin 3,26 valovuotta) paksuisiin universumin 'viipaleisiin', jotka oli otettu tietokonesimuloidusta miljoonan kuutiomegaparsekin tilavuudesta. Aivojen ja universumin viipaleet ovat paksuudeltaan suhteellisen vertailukelpoisia, kun otetaan huomioon, että molemmat ovat 27 suuruusluokkaa kooltaan erilaisia.
Kosminen verkko ja aivonäytteet 4x, 10x ja 40x suurennuksella
- Vazza F ja Feletti A (2020)
Vasemmalla: leike pikkuaivoista, suurennuskerroin 40x, saatu elektronimikroskopialla (Dr. E. Zunarelli, Modenan yliopistollinen sairaala); oikealla: osa kosmologisesta simulaatiosta, jonka molemmilla puolilla on 300 miljoonan valovuoden laajennus (Vazza et al. 2019 A&A).
Mittakaavasta riippuen viipaleita tutkittiin – rakenteen samankaltaisuus ei aina ollut ilmeistä. Mutta 40-kertaisella suurennuksella aivokudoksessa tutkijat alkoivat nähdä rakenteessa yhtäläisyyksiä. 40-kertainen suurennus edustaa mittakaavaa 0,01-1,6 mm aivoissa ja 1-100 megaparsekkia universumissa. Tässä hermosoluverkko näyttää galaksijoukoilta. Lisäksi verkkojen samankaltaisuutta voidaan objektiivisesti mitata ja verrata kahdella tekniikalla. Ensimmäinen on 'verkkoastekeskeisyys', joka mittaa verkkoyhteyksien pituuksia ja liitettävyyden astetta tietyssä verkossa. Neuronin ytimen tai keskustan säde on paljon pienempi kuin yhdistävien aksionien ja dendriittien pituus. Vastaavasti galaksiklusterien säde on paljon pienempi kuin yhdistävien filamenttien pituus. Toinen menetelmä molempien verkkojen objektiiviseen vertaamiseen on 'klusterointikerroin', joka kvantifioi kunkin yhteyssolmun (neuroni- tai galaksiklusterin) vieressä olevan rakenteen määrän ja vertaa tätä rakennetta verkon satunnaiseen pisteeseen. Tämä vertailu vertaa organisaation ja satunnaisuuden molemmissa verkostoissa.
Vazza F ja Feletti A (2020) Kuva 3: 'Yläpaneelit: zoomatut yksityiskohdat rekonstruoiduista yhteyksistä solmujen välillä kolmelle esimerkkiverkostolle otoksessamme (siniset viivat, päällekkäin tiheyskontrastikarttojen päällä). Pohjapaneelit: klusterointikertoimen ja astekeskeisyyden jakaumat kaikille siivuille
'Kuinka iso on universumi' - Fraser Cain Universe tänään
Käyttämällä tekniikoita näissä mittakaavassa Vazz ja Feletti löysivät 'huomattavia' yhtäläisyyksiä sekä aivojen että maailmankaikkeuden välillä. He havaitsivat myös, että verkot olivat enemmän toistensa kaltaisia kuin muut biologiset ja fyysiset rakenteet, mukaan lukien puun oksat, pilvenmuodostuksen dynamiikka tai veden turbulenssi. Nämä muut rakenteet ovat luonteeltaan fraktaaleja. Fraktaalikuviot toistuvat itsestään ja näyttävät samalta riippumatta siitä, missä mittakaavassa niitä havaitset. Sitä vastoin universumi näyttää täysin erilaiselta pienemmässä kuin suuremmassa mittakaavassa. Galaksit ja aurinkojärjestelmät eivät muistuta luomaansa kosmista verkkoa. Myöskään aivot eivät enää muistuta hermoverkkoa, kun niitä tarkastellaan eri mittakaavassa. Mittakaava itsessään saattaa olla tärkeä näiden rakenteiden luomisen kannalta niiden organisoitumisen kannalta.
Tutkijat päättävät löydöksensä'vihjee tosiasiaan, että täysin erilaisten fyysisten prosessien vuorovaikutuksesta voi syntyä samanlaisia verkkokonfiguraatioita, mikä johtaa samanlaiseen monimutkaisuus- ja itseorganisoitumistasoon huolimatta näiden kahden järjestelmän dramaattisista tilamittojen eroista.'Toisin sanoen verkoilla, kuten aivoilla ja maailmankaikkeudella, voi olla samanlainen rakenne, vaikka ne ovat kooltaan täysin erilaisia ja muodostuvat erilaisista prosesseista (painovoima vs. biologia). Silti on mahdollista, että jokin saa molemmat kehittymään ja kasvamaan samalla tavalla.
Tämä 'Mandelbrot Zoom' on fraktaalikuvio, joka näyttää samalta riippumatta siitä, missä mittakaavassa se havaitaan, toisin kuin aivot ja universumi, jotka näyttävät hyvin erilaisilta eri mittakaavassa
Tutkijat havaitsivat kaksi muuta mielenkiintoista yhtäläisyyttä aivojen ja kosmisen verkon välillä. Ensimmäinen oli koostumussuhteet. Aivoista 77 % on vettä, kun taas kosmisessa verkossa on noin 73 % pimeää energiaa . Vesi ja pimeä energia eivät ole osa itse verkkoa, vaan niitä pidetään 'passiivisena materiaalina' tai passiivisena energiana. Passiivisen materiaalin/energian läsnäolo ja suhde saattaa vaikuttaa näiden verkostojen muodostumiseen. Toinen kiehtova yhtäläisyys on, että simuloitujen universumimallien kartoittamiseen tarvittavan tietokonedatan määrä on verrattavissa ihmisaivojen teoreettisiin muistin tallennusrajoihin. 1-10 petabyyttiä (1 petatavu = 1000 teratavua) dataa tarvitaan simuloimaan havaittavan maailmankaikkeuden kehitystä mittakaavassa, jossa kosminen verkko tulee ilmeiseksi. Arvioita kokonaistallennuskapasiteetti ihmisen aivoissa on noin 2,5 petabyyttiä. Ihminen voisi sitten teoriassa tallentaa suuren osan havaittavan maailmankaikkeuden rakenteesta… aivoihinsa. Tai vielä hämmästyttävämpää ajatella, että kosminen verkko voisi teoriassa tallentaa dataa eliniän ihmiskokemuksista.
Hubblen ”eXtreme Deep Field” -kuvassa näkyy noin 5 500 niistä
kaukaisimmat koskaan kuvatut galaksit. – NASA/ESA
Yhtäläisyyksien lisäksi kosmisen verkon ja aivojen välillä on eroja. Vaikka käytetyt aivonäytteet olivat aivokuoresta, koko aivot eivät ole yhtenäisiä. Aivojen eri osat on rakennettu eri tarkoituksiin, kun taas universumin keskeinen piirre on sen yhtenäisyys lähes kaikkiin suuntiin. Aivojen hermosolujen väliset linkit ovat aistitietojen välittämistä varten, kun taas universumissa olevat linkit välittävät yksin energiaa ja ainetta. Vazz ja Feletti toivovat, että heidän tutkimustyönsä inspiroi kehittämään tehokkaampia algoritmeja löytääkseen entistä enemmän yhtäläisyyksiä aivojen ja maailmankaikkeuden välillä. Ehkä opimme olosuhteista, jotka saavat kaksi täysin eri prosesseista syntynyttä verkkoa muistuttamaan toisiaan niin läheisesti.
Olemme kuulleet Carl Saganin kuvaile kuinka kehomme on kirjaimellisesti tehty tähdistä. Nyt alamme ymmärtää, että myös aivomme voivat olla samankaltaisia. Mielessäsi on kokonainen yhteyksien universumi – universumi universumissa – ja yksi niistä pystyy tavoittamaan toisen, joka synnytti sen. Miljardit neuronit koskettavat miljardeja tähtiä – varmasti henkisiä.
Lisää tutkittavaa:
Tutkimuksessa käytetyt todelliset simuloidut universumikuvat: https://cosmosimfrazza.myfreesites.net/cosmic-web-and-brain-network-datasets
Muistuttavatko ihmisen aivot maailmankaikkeutta? | EurekAlert! Tiedeuutiset
Kuten Ylhäällä Kuten Alhaalla Taidenäyttely
Kuinka aivosi ovat kuin kosminen verkko (nautil.us)
Kysy Ethanilta: Onko universumi itse elossa? (forbes.com)
Kuinka suuri universumi on? – Universumi tänään
[astro-ph/9512141] Kuinka filamentteja kudotaan kosmiseen verkkoon (arxiv.org)