شباهت عجیب نورون‌های مغز به شبکه‌های کهکشانی

یک پژوهشگر مشهور به نام کریستوف کُخ می‌گوید که مغز، پیچیده‌ترین چیزی است که در عالم شناخته‌شده وجود دارد. این چیزی نیست که از شنیدن آن تعجب کنیم؛ زیرا این روزها همه‌ی ما می‌دانیم که در مغز صدها میلیاردنورون و صدها تریلیون ارتباط عصبی وجود دارد و همین اجزا، مجموعه‌ای بسیار پیچیده را تشکیل داده‌اند که به ما قدرت تفکر، تصمیم‌گیری، ابداع و… می‌دهد. پس بدون شک، مغز پیچیده‌ترین چیزی است که در عالم شناخته‌شده وجود دارد.

البته چیزهای بسیار پیچیده‌‌ی دیگری نیز در عالم وجود دارند. به عنوان مثال، کهکشان‌ها در ساختارهایی بسیار غول‌آسا به نام خوشه، ابرخوشه و رشته‌های کیهانی قرار گرفته‌اند که عرض هر یک از آن‌ها به صدها میلیون سال نوری می‌رسد. در میان این ساختارها، خطوط تاریکی از فضای خالی وجود دارد که به آن‌ها پوچی کیهانی می‌گویند. مرز بین ساختارهای کهکشانی و این پوچی‌های کیهانی، بسیار پیچیده است؛ زیرا در این مرزها، گرانش به ماده شتاب می‌دهد و سرعت حرکت آن تا هزاران کیلومتر بر ثانیه افزایش می‌یابد و همین امر باعث به وجود آمدن امواج ضربه‌ای و آشفتگی در گازهای میان کهکشانی می‌شود. دانشمندان پیش‌بینی کرده‌اند که مرز رشته‌های کیهانی و شبکه‌های کهکشانی، احتمالاً از پیچیده‌ترین چیزهایی باشد که تا به امروز مشاهده کرده‌ایم.

این مورد خاص، ما را به فکر فرو می‌برد: آیا واقعاً این مرزها می‌توانند پیچیده‌تر از مغز باشند؟

یک اخترفیزیک‌دان و یک عصب‌شناس، تصمیم گرفته‌اند که با همکاری یکدیگر، پیچیدگی شبکه‌های کهکشانی و شبکه‌های عصبی مغز را مقایسه کنند و شباهت‌های میان آن‌ها را شناسایی کنند. نتایج اولیه این مقایسه‌ها شگفت‌انگیز بوده‌اند. این دو دانشمند کشف کرده‌اند که نه تنها شبکه‌های عصبی مغز به شبکه‌های کیهانی شباهت نزدیکی دارند؛ بلکه آن‌ها در واقع در ساختار نیز یکسان بوده و مشابه یکدیگر هستند. ممکن است که جهان در همه‌جا یکسان باشد و تنها مقیاس آن متفاوت باشد. به عبارت دیگر، در مغز ما یک جهان وجود دارد و در آسمان‌ها نیز جهانی مشابه؛ اما با مقیاسی چندین میلیارد برابر بزرگ‌تر.

تصویری شبیه‌سازی شده از ابر خوشه‌ی لانیاکیا (نقطه‌ی قرمز، محل کهکشان راه شیری است)

مقایسه‌ی مغزها با خوشه‌های کهکشانی، کار بسیار دشواری است. برای خوشه‌های کهکشانی، باید با داده‌هایی مواجه شوید که از روش‌های مختلفی نظیر مشاهدات مستقیم تلسکوپ‌ها و شبیه‌سازی‌های عددی به دست آمده‌اند. در سوی دیگر قضیه، ما مغز را داریم که باید برای بررسی آن از ابزار و شیوه‌های مختلفی نظیر میکروسکوپ الکترونی، ایمونوهیستوشیمی (بافت‌شیمی) و تصویربرداری رزونانس (تشدید) مغناطیسی عملکردی مغز یا همانfMRI استفاده کرد.

علاوه بر این مشکل، باید مشکل تفاوت مقیاس‌ها را نیز در نظر داشت. تمام شبکه‌ی کیهانی که مجموعه‌ای از خوشه‌های کهکشانی مختلف است، حدود چندین میلیارد سال نوری گسترش یافته است. علاوه بر این، یکی از همین کهکشان‌ها، خانه‌ی میلیاردها مغز است و ما آن را با نام راه شیری می‌شناسیم. اگر بخواهیم ثابت کنیم که شبکه‌ی کیهانی به اندازه‌ی یکی از اجزای خود پیچیده است، باید به این نتیجه برسیم که میزان پیچیدگی آن دقیقاً مانند مغز است.

البته وقتی این مقایسه امکان‌پذیر می‌شود که ما کاملاً عدالت را برقرار کنیم؛ یعنی هر چیزی را در جای خود قرار دهیم. بسیاری از پدیده‌های طبیعی در هر مقیاسی که باشند، پیچیدگی یکسانی نخواهند داشت. به عنوان مثال، شبکه‌ی کیهانی وقتی عجیب و پیچیده است که ما آسمان را در گسترده‌ترین حالت در نظر بگیریم. در مقایس‌های کوچک، یعنی همان مقیاسی که در آن ماده در ستاره‌ها، سیاره‌ها و ابرهای ماده‌ی تاریک گرفتار می‌شود، ساختار شبکه‌ی کیهانی از بین خواهد رفت. وقتی که یک کهکشان به رشد خود ادامه می‌دهد، به رقص الکترون‌ها در اطراف هسته اهمیتی نمی‌دهد و آن الکترون‌هایی که در اطراف هسته حرکت می‌کنند، نسبت به سیستم کهکشانی که در آن قرار گرفته‌اند بی‌توجه هستند.

به این ترتیب، جهان از سیستم‌هایی تشکیل شده که درون یکدیگر قرار گرفته‌اند؛ به اصطلاح می‌گوییم جهان تو در تو است؛ سیستم‌هایی که در هیچ مقیاسی با یکدیگر تعامل ندارند و به هم متصل نیستند. این تقسیم‌بندی مقیاس، به دانشمندان اجازه می‌دهد تا هر پدیده‌ی فیزیکی را در مقیاس طبیعی خود بررسی کنند. قطعات سازنده‌ی این پازل کیهانی، هاله‌های جذب کننده ستاره‌ها، گازها و ماده‌ی تاریک هستند که برخی از آن‌ها قابل مشاهده و برخی دیگر، از دید ما خارج هستند. در مجموع، تعداد کهکشان‌های موجود در جهان قابل مشاهده، چیزی در حدود ۱۰۰ میلیارد عدد برآورد شده است.

تصویری شبیه‌سازی شده از شبکه‌ی عصبی مغز انسان

تعادل بی‌نقصی که بین نرخ گسترش بافت فضازمان و گرانش موجود در بین پدیده‌ها برقرار شده است، به شبکه‌ی کیهانی ساختاری شبیه به تار عنکبوت داده است. ماده‌ی معمولی و تاریک در رشته‌هایی شبیه به ریسمان پراکنده شده‌اند و خوشه‌های کهکشانی در محل‌های برخورد این رشته‌ها شکل می‌گیرند و بخش اعظمی از ماده همچنان خالی باقی می‌ماند.

تا همین چند وقت پیش، روشی ابداع نشده بود که دانشمندان بتوانند به کمک آن، به طور مستقیم تعداد سلول‌ها و یا نورون‌های مغز انسان را اندازه بگیرند؛ اما اکنون این امکان فراهم شده که بتوان تعداد سلول‌های غیر عصبی و نورون‌ها را تخمین زد. ماده‌ی خاکستری که ۸۰ درصد از جرم مغز را تشکیل داده، چیزی در حدود ۶ میلیارد نورون را در خود جای داده است که این میزان، تنها ۱۹ درصد از میزان نورون‌های موجود در مغز انسان است.

در ماده‌ی خاکستری مغز، حدود ۹ میلیارد سلول غیرعصبی نیز وجود دارد. بخش عمده‌ی نورون‌ها، در مخچه قرار گرفته‌اند؛ به طوری‌که مخچه با دارا بودن ۶۹ میلیارد نورون، حدود ۸۰.۲ درصد از آن‌ها را در خود جای داده است و ۱۶ میلیارد سلول غیرعصبی نیز در این بخش قرار دارند. با توجه به این اطلاعات، مشخص می‌شود که تعداد نورون‌های موجود در مغز انسان، تقریباً با تعداد کهکشان‌های قابل مشاهده در جهان برابر است.

اگر تصاویری از شبکه‌ی کیهانی و نورون‌های مغز را در کنار یکدیگر قرار دهیم، چشم به راحتی می‌تواند شباهت‌های میان آن‌ها را درک کند. در مقایسه‌ای که در زیر انجام شده، دو تصویر وجود دارد. تصویر سمت چپ که تصویری شبیه‌سازی شده از شبکه‌ی کیهانی است و تصویر سمت راست نیز تصویری از ۴ میکرومتر از مخچه‌ی مغز انسان است.

آیا این شباهت‌های ظاهری به خود ما مربوط می‌شود؟ آیا ما علاقه‌ای به کشف شباهت‌ها در الگوهای تصادفی داریم؟ کاملاً مشخص است که پاسخ منفی است. تجزیه و تحلیل آماری نشان می‌دهد که این سیستم‌ها واقعاً شباهت‌های کمیتی دارند. پژوهشگران به طور منظم از روشی به نام «تجزیه و تحلیل طیفی توان» برای بررسی و مطالعه‌ی رشته‌های کهکشانی در مقیاس‌های بزرگ استفاده می‌کنند. طیف توان یک تصویر، به ما می‌گوید که چه تعداد فرکانس بالا و پایین توانسته‌اند ملودی فضایی مخصوص به هر تصویر را ایجاد کنند؛ به عبارت دیگر، می‌تواند میزان قدرت نوسانات ساختاری یک تصویر را در مقیاسی بزرگ بررسی کند.

دانشمندان ابتدا طیف توان هر تصویر را به صورت جداگانه بررسی کردند و سپس داده‌ها را با یکدیگر مقایسه کرده‌اند. نتایج واقعاً شگفت‌انگیز بودند. دانشمندان دریافتند که طیف توان شبکه‌ی کیهانی با مغز انسان شباهت زیادی دارد و حتی در برخی نقاط از نمودار طیف توان، آن‌ها با یکدیگر مقادیر برابری دارند.

توزیع نوسانات مخچه‌ی مغز انسان در مقیاس‌های ۱-۰.۱ میلیمتری، یادآور توزیع نوسانات شبکه‌ی کهکشانی در مقیاس صدها میلیون سال نوری است. شباهت این دو پدیده‌ی متفاوت واقعاً تعجب برانگیز است. در کوچک‌ترین مقیاس‌هایی که برای مشاهده‌ی میکروسکوپی در دسترس است (حدود ۱۰ میکرومتر)،‌ مورفولوژی (ریخت‌شناسی) پوسته‌ی مغز شباهت بسیار نزدیکی به یکی از کهکشان‌ها (در مقیاس چند صد هزار سال نوری) دارد.

برای مقایسه، دانشمندان طیف توان دیگر سیستم‌های پیچیده مانند الگوهای نامفهوم ابرها، شاخه‌های درخت، تلاطم پلاسما و تلاطم آب را نیز در کنار طیف توان پوسته‌ی مغز، مخچه و شبکه‌ی کیهانی قرار داده‌اند و مشخص شده که این سیستم‌ها در مقایسه با پوسته‌ی مغز و مخچه، شباهت کمتری به شبکه‌ی کیهانی دارند. طیف توان این سیستم‌ها وابستگی شدید آن‌ها به مقیاس را نشان می‌دهد و شاید یک آشکارسازی از فراکتال (یعنی هرچه که مقیاس را بزرگ‌تر کنیم همان شکل اولیه به‌دست آید. مانند برفدانه کُخ) طبیعی آن‌ها‌ باشد. این موضوع بیشتر در الگوهای ابرها و شاخه‌های درختان دیده می‌شود. ما این دو سیستم را به عنوان سیستم‌هایی فراکتال با ویژگی خودهمانندی می‌دانیم. یعنی هرچه که مقیاس آن‌ها بزرگ‌تر و یا کوچک‌تر شود، یک شکل ثابت داشته باشند.

طیف توان سیستم‌های مختلف (شباهت میان شبکه‌ی کیهانی و مخچه به خوبی مشخص است)

اما در آن سوی ماجرا، رفتارهایی که برای شبکه‌ی کیهانی و مغز انسان مشاهده شده، فراکتال نبوده‌اند. این یعنی طیف توان شبکه‌ی کیهانی و مغز انسان، بر خلاف سایر سیستم‌ها به مقیاس وابسته نیست و خودش را سازمان می‌دهد.

به عنوان یک یادآوری کوچک باید بگوییم که طیف توان، برابر بودن سیستم‌ها در میزان پیچیدگی را بیان نمی‌کند. یکی از روش‌های خاص تخمین میزان پیچیدگی یک شبکه، این است که ما پی ببریم تا چه اندازه پیش‌بینی رفتار این شبکه دشوار است.

یکی از دانشمندان اخیراً میزان دشوار بودن پیش‌بینی چگونگی تکامل شبکه‌ی کیهانی را مورد بررسی قرار داده است و این کار را نیز به کمک یک شبیه‌سازی رایانه‌ای و تکاملی مصنوعی انجام داده است. این آزمایش نشان داد که برای توضیح تکامل تمام عالم قابل مشاهده در مقیاسی که بتوان خود سازمان‌دهی آن را مشاهده کرد، به ۱ تا ۱۰ پتابایت داده نیاز است.

تخمین میزان پیچیدگی مغز انسان امری به مراتب دشوارتر است؛ زیرا شبیه‌سازی‌های مغز انسان در جهان همگی ناقص هستند و این موضوع هنوز هم یک چالش ناتمام است. با این حال ما می‌توانیم این استدلال را داشته باشیم که پیچیدگی، متناسب با هوش و شناخت است. با توجه به جدیدترین تجزیه و تحلیل‌هایی که بر اساس اتصال شبکه‌ی مغز انجام شده‌اند، دانشمندان به این موضوع پی برده‌اند که ظرفیت حافظه‌ی مغز یک انسان بالغ چیزی در حدود ۲.۵ پتابایت است. این مقدار، در بازه‌ی ۱ تا ۱۰ پتابایتی است که برای توضیح ساختار شبکه‌ی کیهانی تخمین زده شده است.

ساده بگوییم، این شباهت در حافظه به این معنی است که تمام اطلاعاتی که در مغز یک انسان جمع‌آوری شده (مانند اطلاعات تمام تجربه‌ی زندگی یک فرد)، می‌تواند در توزیعات کهکشانی در جهان ما کدگذاری شود. به عبارت دیگر، اگر یک دستگاه محاسباتی با ظرفیت حافظه‌ی مغز انسان وجود داشته باشد، می‌تواند تمام پیچیدگی‌هایی را که در مقیاس‌های بسیار بزرگ توسط جهان به نمایش گذاشته شده‌اند، مجدداً تولید کرده و به نمایش بگذارد.

در این‌جا باید گفت که شبکه‌ی کیهانی بیش از آن‌که به اجزای درونی یک کهکشان شباهت داشته باشد، به مغز انسان شبیه است و شبکه‌ی عصبی مغز انسان نیز بیش از آن‌که به شبکه‌ی عصبی بدن شباهت داشته باشد، شبیه شبکه‌ی کیهانی است. البته تفاوت‌های عمده‌ای در زیرساخت‌ها، مکانیزم‌های فیزیکی و اندازه‌ی این دو شبکه وجود دارد؛ اما اگر شبکه‌ی عصبی مغز انسان و شبکه‌ی کیهانی را در از نظر تئوری ابزار اطلاعاتی مقایسه کنیم، می‌بینیم که کاملاً شبیه به یکدیگر هستند.

آیا این حقیقت به ما چیزی مهم و اساسی را در مورد فیزیک پدیده‌ای مبرم در این دو سیستم می‌گوید؟ شاید. متأسفانه در حال حاضر تجزیه و تحلیل‌های ما به نمونه‌های کوچکی که به کمک روش‌های متفاوت اندازه‌گیری به دست آمده‌اند، محدود شده است. همچنین تحلیل‌های دانشمندان به وجود شباهت دینامیکی بین این دو سیستم اشاره‌ای نمی‌کند.

مدلی که چگونگی پخش شدن اطلاعات در مقیاس‌های فضایی و زمان را در شبکه‌ی کیهانی و شبکه‌ی عصبی مغز نشان دهد، یک آزمون جدا خواهد بود که بسیار مهم بوده و انجان آن نیز دشوار است. در حال حاضر می‌توان این آزمون را به کمک شبیه‌سازهای عددی، برای شبکه‌ی کیهانی اجرا کرد. برای مغز انسان، دانشمندان باید بیشتر بر تخمین‌های کلی که معمولاً از مقادیر کوچک به سمت مقیاس‌های بزرگ حرکت می‌کنند، تکیه کنند.

برنامه‌هایی نظیر HBP یا همان Human Brain Project، به منظور شبیه‌سازی تمام شبکه‌ی عصبی مغز انسان طراحی شده است. در بحث ستاره‌شناسی نیز دانشمندان آرایه کیلومتر مربع (با نام آرایه یک کیلومتر مربع نیز شناخته می‌شود) را در اختیار دارند که به عنوان بزرگ‌ترین رادیوتلسکوپ سازمانی شناخته می‌شود. این آرایه می‌تواند در آینده به درک بیشتر ما از جهان کمک کند و همچنین شگفتی‌ها و جزئیات بیشتر شبکه‌ی کیهانی را به ما نشان دهد.