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淘宝彩票双色球走势图带连线-大脑神经元与世界星际网络惊人的类似,莫非人类的大脑也是?

作者:admin 发布时间:2019-05-19 20:34:21 浏览次数:152
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理论上,你终身的回想能够在世界结构中恢复

克里斯托夫科赫(Christof Koch),一位从事认识和大脑范畴研讨的顶尖学者,有个闻名理论称大脑为“已知世界中最杂乱的研讨方针”。大脑错综杂乱,由一千亿个神经元和一百万亿个衔接组成,不难理解为什么说他的这个理论很或许便是本相。

但世界中还有许多其他杂乱的研讨方针。比方,星系可被分为许多不同规划的巨型结构,别离被称作“星系团”(cluster)、“超星系团”(supercluster)和“纤维束”(filament),延伸数亿光年之远。这些结构之间的鸿沟及其周围被称作“空泛”(cosmic void)的空间或许极端杂乱。引力效果将这些鸿沟上的物质加快到每秒数千公里,在星际气体中产生了骇人的冲击波和湍流。经过衡量描绘它所需的信息位数的巨细,咱们现已猜测到丝状结构与空泛的鸿沟是世界中最杂乱的空间之一。

这不由令人深思:世界是否比大脑更杂乱?

所以咱们——一个天体物理学家和一个神经科学家——联合起来,对星系网络与神经网络的杂乱性进行了一个定量比较。咱们得出的第一个成果着实惊人:大脑和世界不仅在杂乱性上十分类似,在结构上也是如此。世界或许与规划是其十亿亿分之一的物体具有自类似性。

比较大脑和星系团是一个困难的使命,由于咱们需求处理以天壤之别的办法取得的数据:一方面是天文望远镜和数值模仿,另一方面则是电子显微镜、免疫组化和fMRI(功能性磁共振成像)。

咱们还需求淘宝彩票双色球走势图带连线-大脑神经元与世界星际网络惊人的类似,莫非人类的大脑也是?考虑规划上的巨大差异:世界网络中的一切星系勾勒出一个大型的结构,至少延伸数百亿光年,这比人脑的规划大了27个数量级。此外,其间的一个星系上还休息着数十亿大脑。假如世界网络至少与它的任何组成部分相同杂乱,咱们或许会天真地得出结论:世界有必要至少和大脑相同杂乱。

人脑中的神经元总数与可观测世界中的星系数目大致相同。

“呈现”( emergence )的概念使得这种比较成为或许:许多天然现象在一切标准上的杂乱性不尽相同,只要在最大程度上探查天穹时,这张雄伟的世界巨网才变得清楚起来。在较小的标准上,物质被限定于恒星、行星和(或许存在的)暗物质云中,这种结构就消失了。不断演化着的星系对原子内电子轨道上的舞蹈漠然置之,而电子绕核旋转,亦毫不顾及它们所在的星系。

世界便是以这样的办法包容了许多体系的嵌套,而不同规划的体系之间简直没有交互。这种标准阻隔使得咱们能在天然标准上研讨物理现象。

星体、气体和暗物质(其存在有待被证明)由于本身引力构成的光环是构建世界网络的砖瓦,可观测世界(observable universe)中的星系总数在一千亿以上。时空的加快胀大和其本身引力牵拉之间的平衡使得世界具有了蜘蛛网般的形状。一般物质和暗物质凝成弦状的纤维,并在其交叉处构成星系团,余下的大部分空间则空空荡荡。终究构成的结构好像与生物学有着若有若无的相关。

直到最近,文献中才呈现人类大脑中细胞或神经元数量的直接估测值。占大脑80%的皮质灰质含有60亿个神经元(是脑神经元总数的19%)和近90亿个非神经元细胞;小脑有大约690亿个神经元细胞(是脑神经元总数的80.2%)和近160亿个非神经元细胞。风趣的是,人脑中的神经元总数与可观测世界中的星系数目大致相同。

从下图中,咱们一眼就能看出二者的类似:左面模仿的是延伸约十亿光年的世界截面中的物质散布,右边则是一张淘宝彩票双色球走势图带连线-大脑神经元与世界星际网络惊人的类似,莫非人类的大脑也是?4微米厚的人类小脑切片。

图1:世界网络物质散布模仿图(左)与小脑神经元胞体散布图(右)。神经元经过2F11单克隆抗体染色后显示出神经纤维束(neurofilament)的形状。右图由摩德纳大学隶属医院解剖病理系的Elena Zunarelli博士供给。

这种清楚明了的类似,是否仅仅由于人类总是倾向于从随机数据开掘一些看似有含义的形式?(编者按:这种行为又称 Apophenia,人类倾向于探知表面上毫无相关的事物之间的内在联系并赋予其含义。)但是答案却是否定的:数据剖析标明,这两个体系的确有着可量化的类似度。研讨人员运用功率谱剖析(power spectrum analysis)技能来研讨大标准上的星系散布状况。图画的功率谱丈量的是归于特定空间标准的结构动摇强度,换句话说,它能通知咱们每张图画中有多少高音和低声音符一起交错组成这一首共同的空间奏鸣曲。

从图2的功率谱剖析图画中能够看到令人震惊的一幕:两个体系动摇散布的类似程度十分惊人,虽然他们相差巨大的数量级。

不断演化着的星系对原子内电子轨道上的舞蹈漠然置之。

小脑中0.1-1mm 规划内的动摇散布不由令人联想起数千亿光年内的星系散布。在显微镜所能观察到的最小标准(大约10微米)下,大脑皮质的形状与几十万光年标准上所看到的星系愈加类似。

相比之下,其他杂乱体系(包含云、树枝、等离子体和湍流的对应图画)的功率谱剖析成果与世界网络的天壤之别,这些体系的功率谱愈加严格地依托标准,而这或许是它们分形性质的体现。这种现象在树枝分叉和云层形状中愈加显着,二者都是十分典型的分形结构,在很大的标准规划散布内保有自类似性(self-similiarity)。另一方面,关于人脑和世界这样的杂乱网络,它们可观察到的行为都没有分形的特征,这能够被解释为依托标准的自组织结构呈现的依据。

虽然功率谱的比较成果很惊人,也不能阐明二者的杂乱程度是否相同。估测某一体系杂乱性的常用办法是衡量猜测其本身反响的难度。经过核算可执行这一猜测的最小程序所需的信息位数,咱们能够量化这种杂乱性。

图2:将图1作空间标准上的动摇散布函数(附加剖析了图1中未示出的人脑皮质切片)。一起示出了云团、树枝、等离子体和湍流的功率谱密度以作比较。

最近,咱们中的一位研讨者经过数字模仿世界丈量出了猜测世界演化是多么困难(1),这个估测标明,在它(至少是在模仿世界中)体现出自组织结构的标准上,描绘整个可观测世界的演化需求大约 1-10PB(1PB=1024TB)。

估测人脑的杂乱性则难上加难,由于模仿人脑在全球规划内仍是个极大的应战。虽然如此,咱们能够认为它的杂乱程度与智力和认知成正比。依据对神经网络衔接的最新剖析,一些研讨者得出结论:成人大脑的回忆存储总量在 2.5PB 左右,与上文中预估世界所需的 1-10PB 十分挨近。

大致看来,回忆容量上的类似意味着储存在人脑中的信息(例如,一个人的悉数生命体会)能够被编码为世界中的星系散布;反过来说,一个有人脑回忆容量的核算机也能够在最大标准上再现这杂乱的世界。

比起其内部的星系,世界与人脑更类似;比起神经元胞体内部,神经网络与世界网络也更类似。虽然二者在所在环境、物理机制和规划巨细上有巨大差异,在信息论的研讨办法下,人类的神经网络与星系间的世界网络的类似程度仍令人咋舌。

这个现实,是否提醒了某些关于这两个体系的层展现象原理的重要之事呢?或许吧。但咱们有必要采纳半信半疑的情绪,由于这个剖析存在必定的局限性,由于咱们取样选用的丈量办法差异十分大,且样本量很小。

此外,这个剖析并未指出两个体系间的动态类似性。构建信息在时刻和空间内的传递模型将是接下来的研讨要害。关于世界网络,这现已能够经过数值模仿完成;关于人脑,咱们需求依托更多全球样本的预算数据,通常是由较小的部分开端,再扩展规划淘宝彩票双色球走势图带连线-大脑神经元与世界星际网络惊人的类似,莫非人类的大脑也是?。在不久的将来,咱们的方针是在更杂乱的数字人脑模型中查验这些概念。

人类大脑方案(Human Brain Project)这样的项目致力于模仿整个人脑神经网络,而射电天文学范畴的最大企业Square Kilometer Array 将协助咱们添补其间的一些细节,并让咱们深化了解世界是否比咱们认为的愈加惊人。

延伸与提高

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FRANCO VAZZA & ALBERTO FELETTI

发表于NAUTILUS

封面:MICHAEL MARSICANO

数学 MATH 世界学COSMOLOGY 神经科学NEUROSCIENCE

References

1. Vazza, F. On the complexity and the information content of cosmic structures. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 465, 4942-4955 (2017).

Franco Vazza

博洛尼亚大学天文学博士,意大利INAF(国家天体物理研讨所)部属的射电天文学研讨员。

Alberto Feletti

意大利摩德纳大学隶属医院的神经外科医生。

翻译:杜璇;校正:tangcubibi;修改:EON

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