Somiglianze tra rete neurale e rete di galassie

La rete neurale e la rete di galassie funzionano allo stesso modo: condividono lo stesso sistema auto-organizzante e le stesse dinamiche di rete. Il neurobiologo Javier De Felipe conferma: le somiglianze tra il cervello e l’universo sono schiaccianti.

I due sistemi più complessi e stimolanti in natura, la rete cosmica di galassie e la rete di neuroni nel cervello, possiedono un sistema simile di auto-organizzazione modellato dai principi delle dinamiche di rete, nonostante scale e processi radicalmente diversi, esistente in entrambi gli spazi.

Lo hanno scoperto le ricerche di Franco Vazza (astrofisico dell’Università di Bologna) e Alberto Feletti (neurochirurgo dell’Università di Verona), i cui risultati sono pubblicati sulla rivista Frontiers in Physics.

I due hanno studiato le somiglianze tra i due sistemi, separati l’uno dall’altro da oltre 27 ordini di grandezza, utilizzando un’analisi quantitativa che si trova al confine tra cosmologia e neuroscienze.

Utilizzando le caratteristiche condivise dei due sistemi, i ricercatori hanno confrontato una simulazione della rete galattica con sezioni della corteccia cerebrale e del cervelletto. L’obiettivo era osservare come le fluttuazioni della materia si estendessero su scale così diverse.

Risultati inaspettati
Il risultato è sorprendente: “la nostra analisi mostra che la distribuzione delle fluttuazioni all’interno della rete neurale del cervelletto, su una scala da 1 micrometro a 0,1 millimetri, segue la stessa progressione della distribuzione della materia nella rete cosmica, ma, ovviamente, su scala più ampia, che vanno da 5 milioni a 500 milioni di anni luce”, spiega Vazza in un comunicato .

I due ricercatori hanno anche calcolato alcuni parametri che caratterizzano sia la rete neurale che la rete cosmica: il numero medio di connessioni in ogni nodo e la tendenza a raggruppare più connessioni nei nodi centrali rilevanti all’interno di ciascuna rete.

“Ancora una volta i parametri strutturali hanno individuato livelli di concordanza inaspettati. Probabilmente, la connettività all’interno delle due reti si evolve seguendo principi fisici simili, nonostante la notevole ed evidente differenza tra i poteri fisici che regolano le galassie e i neuroni ”, aggiunge Alberto Feletti.

“Queste due reti complesse mostrano più somiglianze di quelle condivise tra la rete cosmica e una galassia, o una rete neurale e l’interno di un corpo neuronale”, conclude Feletti.

Miliardi di neuroni e galassie
Il cervello umano funziona grazie alla sua vasta rete neurale, che contiene circa 69 miliardi di neuroni. D’altra parte, l’universo osservabile ha una rete cosmica di almeno 100 miliardi di galassie.

All’interno di entrambi i sistemi, solo il 30% delle loro masse è costituito da galassie o neuroni. Entrambi sono organizzati in lunghi filamenti o nodi tra i filamenti.

Infine, all’interno di entrambi i sistemi, il 70% della massa o distribuzione dell’energia è costituito da elementi che giocano un ruolo apparentemente passivo: l’acqua nel cervello e l’energia oscura nell’Universo osservabile.

A sinistra: sezione del cervelletto, con fattore di ingrandimento 40x, ottenuta con microscopia elettronica (Dr. E. Zunarelli, Azienda Ospedaliera Universitaria di Modena). A destra: sezione di una simulazione cosmologica, che si estende per 300 milioni di anni luce su ciascun lato (Vazza et al.2019 A&A).


Visione panoramica
Il clou di questa ricerca, come spiegano entrambi gli autori nel loro articolo, è che, misurando il grado di connettività e il coefficiente di clustering, da un lato, della rete cosmica e, dall’altro, della rete neurale, hanno ha ottenuto una vista panoramica dei nodi e delle reti in entrambi i sistemi.

Questa visione panoramica è ciò che ha rivelato che due processi fisici completamente diversi possono generare configurazioni di rete simili per organizzare il loro comportamento, il che li porta a condividere livelli simili di complessità e auto-organizzazione.

Limitazioni
Gli autori di questa ricerca riconoscono che presenta alcune limitazioni, derivate dalla natura stessa dello studio, che impediscono di raggiungere una conclusione definitiva.

Sottolineano quindi che “saranno necessari algoritmi più potenti e discriminanti per identificare analogie e differenze di questi affascinanti sistemi, quasi agli estremi immaginabili delle scale spaziali nell’Universo”.

Tuttavia, i risultati incoraggianti di questo primo approccio stanno spingendo i ricercatori a pensare a quali nuove ed efficaci tecniche di analisi in entrambi i campi, cosmologia e neurochirurgia, consentiranno una migliore comprensione delle dinamiche di rete alla base dell’evoluzione temporale di questi due sistemi. .

Javier De Felipe: le somiglianze tra il cervello e l’universo sono schiaccianti
Che il cervello e l’universo abbiano incredibili somiglianze è ciò che il neurobiologo spagnolo Javier de Felipe , direttore del laboratorio dei circuiti corticali UPM-CSIC Cajal e del progetto Cajal Blue Brain, ha sottolineato da anni .

Una delle cose che si è distinta dalla sua stessa osservazione di ricerca è la sorprendente somiglianza tra i depositi di proteine ​​nel cervello, chiamati placche β-amiloidi, un classico segno del morbo di Alzheimer, e le nebulose e altri oggetti celesti.

“La somiglianza tra questi corpi celesti e le placche Aβ che spuntano nel cervello del malato di Alzheimer è schiacciante, perché ci fa meditare sulla relazione tra il macrocosmo e il microcosmo, e ci fa venire le vertigini a cercare di capire non solo questa somiglianza , ma immagina che certi oggetti nel macrocosmo, come nebulose o buchi neri, abbiano dimensioni formidabili (miliardi di chilometri), mentre nel microcosmo del cervello queste placche sono solo pochi milionesimi di metro “, spiega Javier Da Felipe a Trends21.

I pannelli A e B illustrano, a diverse scale, la morfologia della distribuzione della materia oscura nell’universo, basata sulla simulazione Millennium-XXL. I pannelli C e D mostrano alcuni esempi di immagini del sistema nervoso.

Questa è un’altra sorprendente somiglianza tra il macro e il microcosmo e tra alcuni aspetti della struttura della materia inerte e la “materia intelligente” del sistema nervoso, sottolinea De Felipe.
Evidenzia anche le somiglianze tra le immagini ottenute con la simulazione dell’universo e quelle visualizzate per studiare il sistema nervoso.

Si riferisce, ad esempio, alle somiglianze grafiche tra la distribuzione della materia oscura nell’universo e la distribuzione delle cellule microgliali nella corteccia cerebrale, che formano il sistema immunitario del sistema nervoso centrale e costituiscono circa il 10% delle cellule. del cervello.

E aggiunge: “metaforicamente si potrebbe dire che queste somiglianze possono riflettere che, poiché il sistema nervoso ha origine dalla polvere di stelle, in qualche modo preservi certi modelli di organizzazione dell’universo.

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