意識と人間の脳に関する主要な研究者であるクリストフ コッホは、脳を「既知の宇宙で最も複雑な物体」と呼んだことで有名です。なぜこれが真実なのかを理解するのは難しくありません。 1,000 億のニューロンと 100 兆の接続を持つ脳は、目もくらむほど複雑な物体です。
しかし、宇宙には他にも複雑な物体がたくさんあります。たとえば、銀河は、数億光年にわたって伸びる巨大な構造 (クラスター、スーパークラスター、およびフィラメントと呼ばれる) にグループ化できます。これらの構造と、宇宙空隙と呼ばれる隣接する空きスペースとの間の境界は、非常に複雑になる可能性があります。重力は、これらの境界で物質を毎秒数千キロメートルの速度に加速し、銀河間ガスに衝撃波と乱気流を作り出します。ボイドとフィラメントの境界は、それを記述するのに必要な情報のビット数によって測定されるように、宇宙で最も複雑な体積の 1 つであると予測されています。
これにより、次のように考えるようになりました:それは脳よりも複雑なのでしょうか?
そこで、天体物理学者と神経科学者が力を合わせて、銀河ネットワークと神経ネットワークの複雑さを定量的に比較しました。私たちの比較の最初の結果は本当に驚くべきものです。脳と宇宙網の複雑さが実際に似ているだけでなく、それらの構造も似ています。宇宙は、サイズが 10 億倍も異なるスケール間で自己相似している可能性があります。
脳と銀河団を比較するのは難しい作業です。一つには、一方では望遠鏡と数値シミュレーション、他方では電子顕微鏡、免疫組織化学、機能的磁気共鳴など、まったく異なる方法で得られたデータを扱う必要があります。
また、非常に異なるスケールを考慮する必要があります。宇宙のウェブ全体 (宇宙のすべての銀河によって追跡される大規模な構造) は、少なくとも数百億光年にわたって広がっています。これは人間の脳より27桁も大きい。さらに、これらの銀河の 1 つには、数十億もの実際の脳が存在します。宇宙網が少なくともその構成要素と同じくらい複雑である場合、それは少なくとも脳と同じくらい複雑でなければならないと素朴に結論付けるかもしれません.
しかし、出現の概念は比較を可能にします。多くの自然現象は、すべてのスケールで同じように複雑ではありません。宇宙網の雄大なネットワークは、空がその最大範囲にわたって調査された場合にのみ明らかになります。より小さなスケールでは、物質が恒星、惑星、および (おそらく) 暗黒物質の雲に閉じ込められているため、この構造は失われます。進化する銀河は原子内の電子軌道のダンスを気にせず、電子は銀河系に関係なく原子核の周りを移動します。
このように、宇宙にはシステムにネストされた多くのシステムが含まれており、異なるスケール間での相互作用はほとんどまたはまったくありません。このスケールの分離により、物理現象が独自の自然なスケールで出現する際の研究が可能になります。
コズミック ウェブの構成要素は、星、ガス、暗黒物質 (その存在はまだ明確に証明されていません) の自己重力ハローです。合計すると、観測可能な宇宙内の銀河の数は 1000 億のオーダーになるはずです。時空構造の加速膨張と自己重力の引力との間のバランスが、このネットワークにクモの巣のようなパターンを与えます。通常の物質と暗黒物質は凝縮して糸のようなフィラメントになり、フィラメントの交点で銀河団が形成され、残りの体積のほとんどは基本的に空になります。得られた構造は、漠然と生物学的に見えます.
人間の脳の細胞またはニューロンの数を直接推定することは、最近まで文献では利用できませんでした。皮質灰白質 (脳質量の 80% 以上を占める) には、約 60 億個のニューロン (脳ニューロンの 19%) と約 90 億個の非ニューロン細胞が含まれています。小脳には約 690 億個のニューロン (脳ニューロンの 80.2%) と約 160 億個の非ニューロン細胞があります。興味深いことに、人間の脳のニューロンの総数は、観測可能な宇宙の銀河の数とほぼ同じです。
目は、コズミック ウェブの画像と脳の画像との類似性をすぐに把握します。図 1 では、直径 10 億光年のスライスにおける宇宙物質のシミュレートされた分布と、人間の小脳を通る 4 マイクロメートル (µm) の厚さのスライスの実際の画像を示しています。
明らかな類似性は、ランダムなデータで意味のあるパターンを知覚する人間の傾向 (アポフェニア) にすぎないのでしょうか?驚くべきことに、答えはノーのようです。統計分析は、これらのシステムが実際に定量的な類似性を示していることを示しています。研究者は、銀河の大規模な分布を研究するために、パワー スペクトル分析と呼ばれる手法を定期的に使用しています。画像のパワー スペクトルは、特定の空間スケールに属する構造変動の強度を測定します。言い換えれば、各画像の独特な空間メロディーを作る高音域と低音域の音の数がわかります。
図 2 (下) のパワー スペクトル グラフから驚くべきメッセージが浮かび上がります。2 つのネットワークの変動の相対的な分布は、数桁にわたって非常に類似しています。
0.1-1 mm スケールでの小脳のゆらぎの分布は、数千億光年にわたる銀河の分布を連想させます。顕微鏡観察で利用できる最小のスケール (約 10 µm) では、数十万光年のスケールで、銀河の 1 つにより厳密に一致するのは皮質の形態です。
比較すると、他の複雑なシステム (雲、木の枝、プラズマと水の乱流の投影画像を含む) のパワー スペクトルは、宇宙の網のパワー スペクトルとはまったく異なります。これらの他のシステムのパワースペクトルは、スケールへのより急な依存を示します。これは、フラクタルな性質の現れである可能性があります。これは、樹木の枝の分布と雲のパターンで特に顕著です。どちらも、さまざまなスケールにわたって自己相似性を持つフラクタルのようなシステムとしてよく知られています。一方、宇宙網と人間の脳の複雑なネットワークについては、観測された動作はフラクタルではなく、スケール依存の自己組織化構造の出現の証拠として解釈できます。
パワー スペクトルの比較は驚くべきものですが、2 つのシステムが同じように複雑かどうかはわかりません。ネットワークの複雑さを見積もる実用的な方法は、その動作を予測することがどれほど難しいかを測定することです。これは、そのような予測を実行できる最小のコンピューター プログラムを構築するために必要な情報のビット数を数えることによって定量化できます。
私たちの 1 人は最近、シミュレートされた宇宙のデジタル進化に基づいて、宇宙ネットワークがどのように進化するかを予測することがいかに難しいかを測定しました。この見積もりは、自己組織化が現れるスケールで観測可能な宇宙全体の進化を記述するには、約 1 から 10 ペタバイトのデータが必要であることを示唆しています (または、少なくともシミュレートされた対応物)。
人間の脳の複雑さを推定することは、はるかに困難です。なぜなら、脳の全体的なシミュレーションはまだ満たされていない課題のままだからです。ただし、複雑さは知性と認知力に比例すると主張できます。脳ネットワークの接続性に関する最新の分析に基づいて、独立した研究は、成人の人間の脳の総記憶容量は約 2.5 ペタバイトであると結論付けており、コズミック ウェブで推定される 1 ～ 10 ペタバイトの範囲から遠く離れていません!
大まかに言えば、この記憶容量の類似性は、人間の脳に保存されている情報全体 (たとえば、人の人生全体の経験) も、宇宙の銀河の分布にエンコードできることを意味します。または、逆に言えば、人間の脳の記憶容量を備えたコンピューティング デバイスは、宇宙が示す複雑さを最大規模で再現できます。
コズミック ウェブが銀河の内部よりも人間の脳に似ていることは、本当に驚くべき事実です。または、神経ネットワークは、神経細胞体の内部よりも宇宙網に似ている.基盤、物理的メカニズム、およびサイズの驚くべき違いにもかかわらず、人間の神経ネットワークと銀河の宇宙網は、情報理論のツールで考えると、驚くほど類似しています。
この事実は、2 つのシステムにおける創発現象の物理学について何か深いことを教えてくれますか?多分。しかし、私たちはこれらの調査結果を一粒の塩で受け取る必要があります。私たちの分析は、非常に異なる測定技術で採取された小さなサンプルに限定されています.
また、私たちの分析は、これらのシステム間の動的な類似性を示していません。 2 つのシステムで空間スケールと時間にわたって情報がどのように流れるかのモデルは、重要なテストとなります。これは、数値シミュレーションを通じてコズミック ウェブですでに実現可能です。人間の脳の場合、より全体的な推定値に依存する必要があります。通常は、より小さな部分から導出され、その後拡大されます。近い将来、これらの概念を人間の脳のより洗練された数値モデルでテストすることを目指しています。
人間の神経回路網全体をシミュレートするように設計されたヒューマン ブレイン プロジェクトや、電波天文学史上最大の企業である平方キロメートル アレイなどのプログラムは、これらの詳細の一部を埋め、宇宙が私たちよりもさらに驚くべきものであるかどうかを理解するのに役立ちます。
Franco Vazza は、電波天文学研究所、INAF、ボローニャ、イタリアの Marie Curie Slodowska Action of Horizon 2020 のフェローです。
Alberto Feletti は、イタリアのモデナにある Azienda Ospedaliero-Universitaria di Modena の NOCSAE 病院の脳神経外科のメンバーです。
図 1 の皮質と小脳のスライスを作成してくださった Dr. Elena Zunarelli (Department of Anatomic Pathology, University Hospital Policlinico di Modena, Modena, Italy) に感謝します。
参考文献
1. Vazza, F. 宇宙構造の複雑さと情報内容について。 王立天文学会の月例通知 465 、4942-4955 (2017).
この記事は、2017 年 7 月の「Emergence」号に掲載されたものです。
