Нейронные сети из галактик

Астрофизик из Болонского университета Франко Вацца и нейрохирург из Веронского университета Альберто Фелетти (Италия) обнаружили, что структура сетей галактик во Вселенной напоминает строение нейронных сетей человеческого мозга. Результаты исследования были опубликованы в научном журнале Frontiers in Physics.

Что такое нейронные сети? Именно они отвечают за процессы нашего мышления. Наша мозговая кора (кортекс) играет роль микропроцессора. Она представляет собой прослойку толщиной около 3 мм, которая состоит из серии повторяющихся модулей, наподобие компьютерных микросхем.

В каждом из них около 100000 нейронов, взаимосвязанных между собой и выстроенных в сложную сеть. Хотя базовая структура «микросхем» является примерно одинаковой, в разных разделах мозга сосредотачиваются нейроны, «заточенные» под конкретные функции, скажем, ответственные за зрение, слух или двигательную активность.

До недавнего времени невозможно было проанализировать работу нейронных «микросхем» из-за их микроскопического масштаба. Но сейчас новые технологии позволяют ученым отслеживать особенности взаимодействия нейронов.

Галактики в свою очередь представляют собой системы, состоящие из звезд, звездных скоплений, межзвездного газа и пыли, темной материи и планет, имеющих между собой гравитационные связи и движущихся относительно общего центра масс.

Скорее всего, они сформировались в результате процессов, вызванных Большим взрывом, который, как предполагается, произошел около 14 млрд лет назад и стал причиной появления нашей Вселенной в ее изначальном виде.

Известно, что в мозгу человека всего около 69 миллиардов нейронов. А во Вселенной насчитывается как минимум 100 миллиардов галактик. Эксперты обратили внимание на то, что эти сети имеют схожую структуру, состоящую из узлов и длинных нитей, или волокон. Кроме того, несмотря на разницу в масштабах, и те и другие занимают около 30% от общей массы своей системы, остальное – это пассивные компоненты.

В мозгу этот пассивный компонент – вода. Именно она дает этому важному органу энергию для выполнения всех основных функций, включая мышление и управление нервной системой. Недостаток воды может привести к нарушениям памяти, головным болям, проблемам со сном и даже к депрессии.

Во Вселенной вместо воды – темная материя. Что это такое? По мнению ученых, более 20% Вселенной составляет загадочная материя, которая не пропускает электромагнитного излучения и которую невозможно увидеть.

Из нее могут состоять темные галактические гало, коричневые карлики, массивные планеты; компактные объекты на конечных стадиях эволюции, например белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры, а также гипотетически существующие объекты, такие как кварковые и преонные звезды.

Присутствие темного вещества можно обнаружить по создаваемым им гравитационным эффектам. Если когда-нибудь темная материя будет найдена, считают ученые, это поможет решить проблему скрытой массы и позволит объяснить некоторые космические явления, такие как быстрое вращение внешних областей галактик.

Обнаружить следы темной материи, как считают стэнфордские физики Стефан Фанк и Джастин Ванденбрук, можно по наличию позитронов – античастиц, входящих в состав космических лучей. По мнению ученых, темная материя состоит из вимпов – слабо взаимодействующих между собой тяжелых частиц.

Для них характерны только слабое ядерное и гравитационное взаимодействия, поэтому их довольно сложно обнаружить экспериментальным путем. Масса вимпов должна как минимум в десятки раз превосходить массу протона. При этом они должны двигаться хаотически со средней скоростью около 300 километров в секунду…

Исходя из общих характеристик, итальянские специалисты сравнили принципы моделирования галактических сетей с принципами организации участков коры головного мозга и мозжечка с целью изучения флуктуаций вещества в обоих видах систем.

«Мы рассчитали спектральную плотность обеих систем, – рассказал Франко Вацца. – Наш анализ показал, что распределение колебаний в нейронной сети мозжечка в масштабе от 1 мкрм до 0,1 мм следует той же прогрессии распределения материи в космической паутине. Конечно, в более крупном масштабе – от 5 млн до 500 млн световых лет».

Кроме того, специалисты провели расчеты ряда параметров, характерных как для нейронных, так и для галактических сетей, в частности, среднее количество соединений в каждом узле и тенденции кластеризации нескольких соединений в соответствующих центральных узлах внутри каждой сети. Они также оказались практически идентичны.

«Структурные параметры выявили неожиданные уровни согласования, – констатирует Альберто Фелетти. – Вероятно, связь внутри этих двух сетей развивается по сходным физическим принципам, несмотря на поразительную и очевидную разницу между физическими силами, регулирующими галактики и нейроны.

Эти две сложные сети имеют больше сходства, чем те, что существуют между космической сетью и Галактикой или нейронной сетью и внутренней частью нейронного тела». Но что же дает нам такое открытие? По мнению ученых, это означает, что процессы формирования различных структур во Вселенной проходили по одним и тем же законам. В результате разные системы имеют аналогичный уровень самоорганизации.

Исследователи полагают, что их открытие найдет применение как в космологии, так и в нейрохирургии.

Оно приведет к созданию новых, более эффективных методов анализа, которые позволят лучше понять направленную динамику, лежащую в основе временной эволюции двух видов систем.

Лада КОВАЛЕНКО