Flow-Tetsu Inoue 來自利維坦 00:00 05:12

利維坦按：萊布尼茨提出的單子論包含相對質(zhì)樸的“全息思想”，啟發(fā)后人。直到1993年由諾貝爾得主——G·霍夫特在1993年正式提出全息宇宙理論，其基本原理是：從潛顯信息總和上看，任一部分都包含著整體的全部信息。數(shù)學(xué)上，全息論是指用遞歸原理推導(dǎo)得出的，宏觀事物具有自相似性的結(jié)論。在宇宙這個整體中，各個子系統(tǒng)與系統(tǒng)、系統(tǒng)與宇宙之間都存在全息對應(yīng)，因為它們相互存在聯(lián)系，正如“一沙一世界”所言。這一說法的支持者群體雖非主流，但也正日益壯大。

印度神話中對于世界有個有意思的說法，認(rèn)為整個世界只是梵天神的一個夢，梵天一醒，世界就會不復(fù)存在。也就是說，我們所處的世界源自神的大腦。那么，我們的大腦中是否也有個世界？

文/Franco Vazza & Alberto Feletti

譯/安德烈

校對/大藥

原文/nautil.us/issue/50/emergence/the-strange-similarity-of-neuron-and-galaxy-networks

本文基于創(chuàng)作共用協(xié)議（BY-NC），由安德烈在利維坦發(fā)布

克里斯托弗·科赫（Christof Koch，美國加州理工學(xué)院認(rèn)知和行為生物學(xué)教授，《意識探秘》、《意識與腦》等書的作者）是意識和人類大腦領(lǐng)域的先驅(qū)研究者，他對大腦的稱呼：“已知宇宙中最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)”，相當(dāng)有名。我們不難發(fā)現(xiàn)為什么會有這樣的說法。人類的大腦擁有1000億個神經(jīng)元和100萬億個連接點，著實是一個令人眩暈的復(fù)雜物體。

最接近的超星系團(tuán)（室女座超星系團(tuán)）。包含銀河系和仙女座星系所屬的本星系群在內(nèi)，至少有100個星系團(tuán)聚集在直徑33百萬秒差距（1億1千萬光年）的空間內(nèi)，是在可觀測宇宙中數(shù)以百萬計的超星系團(tuán)中的一個。圖源：維基

不過，宇宙中還有很多其他的東西一樣很復(fù)雜。例如，星系可以形成巨大的星云結(jié)構(gòu)【我們將其稱為星系團(tuán)（cluster）、超星系團(tuán)（supercluster）和宇宙長絲線型結(jié)構(gòu)（filaments）】，這些星云結(jié)構(gòu)可以延伸到數(shù)億光年的范圍內(nèi)。研究者將星云結(jié)構(gòu)本身和虛空中延展部分的邊界稱為宇宙巨洞（cosmic void），其復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人們的想象。重力使得處于邊界的物質(zhì)以每秒數(shù)千公里的加速度加速運行，形成了存在于星系間氣體重的激波和湍流。我們已經(jīng)通過衡量所需的信息數(shù)量預(yù)測到，由“長絲”和“空洞”（void）組合而成的聚合體是宇宙中最復(fù)雜的一種結(jié)構(gòu)，我們以信息量（我們將宇宙中物質(zhì)和能量的運動過程和互動過程的集合體稱為信息）來描述它。

宇宙網(wǎng)（cosmic web）的計算機(jī)模擬圖，顯示出了長絲連接結(jié)構(gòu)。圖源：sciencedaily

我們不禁會思考：星系會比人腦復(fù)雜嗎？

所以，我們——其實是我們中的天體物理學(xué)家和神經(jīng)科學(xué)家——聯(lián)合起來，對星系網(wǎng)絡(luò)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性進(jìn)行了定量的比較。比較產(chǎn)生的第一個結(jié)果令人驚訝：不僅大腦和宇宙網(wǎng)絡(luò)具有相似的復(fù)雜程度，而且它們的結(jié)構(gòu)也具有相似性。

星系會比人腦復(fù)雜嗎？

把人腦和星系比較是艱難的。很典型的一個難題就是，它需要研究人員用完全不同的方式處理所獲得的數(shù)據(jù)：一邊是望遠(yuǎn)鏡和做數(shù)值模擬處理，另一邊是電子顯微鏡、免疫組織化學(xué)和功能性磁共振。

跨學(xué)科的對比還要求實驗人員考慮比較對象差距懸殊的大小規(guī)格：整個宇宙網(wǎng)絡(luò)——由宇宙所有星系的運動軌跡聯(lián)結(jié)而成的龐大結(jié)構(gòu)——延伸范圍至少有幾百億光年，足足人腦大10^27倍。另外，其中一個星系（也就是銀河系）是數(shù)十億個大腦的家園。如果宇宙網(wǎng)絡(luò)至少和它的組成部分一樣復(fù)雜，我們可能會天真地下結(jié)論說，宇宙網(wǎng)絡(luò)至少會和大腦一樣復(fù)雜。

人類大腦中神經(jīng)元的總數(shù)和宇宙中可觀測到的星系數(shù)量大致相同。

但是，涌現(xiàn)（emergence）這一概念使這種比較成為可能。許多自然現(xiàn)象在不同層面上的結(jié)構(gòu)存在著復(fù)雜性上的差別。只有以最大的限度觀察太空，宇宙網(wǎng)絡(luò)的龐大構(gòu)架才會顯現(xiàn)出來。在更小的規(guī)模下，物質(zhì)被固定在恒星、行星和（可能是）暗物質(zhì)云中，宇宙網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)就不再適用了。一個不斷演化的星系并不會在意原子內(nèi)的電子舞動的軌跡，而電子圍繞著它們的原子核運動，也不會考慮它們所處的星系系統(tǒng)。

按照上文所說的思路來看，宇宙中嵌套著許多大大小小的系統(tǒng)，不同規(guī)模的系統(tǒng)之間很少有、甚至幾乎沒有相互作用。系統(tǒng)規(guī)模帶來的隔斷使研究者們在“發(fā)生在系統(tǒng)的自然規(guī)格下”的前提下研究物理現(xiàn)象。

恒星、氣體和暗物質(zhì)（它們的存在尚未被證實）的自引力暈（self-gravitating halo）是宇宙網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的接觸結(jié)構(gòu)。在宇宙中，我們可觀測到的星系總數(shù)應(yīng)該是1000億。時空結(jié)構(gòu)的加速膨脹和自重力產(chǎn)生的牽引力的平衡使宇宙網(wǎng)絡(luò)形成了蛛網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。普通物質(zhì)和暗物質(zhì)凝聚成類似于絲狀的纖維體，而星系團(tuán)則形成于纖維體的交叉點，剩下的大部分空間基本上都是空的。最終形成的結(jié)構(gòu)看起來與生物學(xué)有著那么點似有似無的關(guān)系。

使用SpikeFun演示模擬器（v0.71）制作出來的哺乳動物大腦皮層神經(jīng)系統(tǒng)，包括8億個神經(jīng)元、14億個突觸，宛若星河：

（建議wifi環(huán)境下打開）

直到最近才出現(xiàn)對人類大腦中細(xì)胞或神經(jīng)元數(shù)量的直接估計。灰質(zhì)皮層（占大腦重量的80%）包含約60億神經(jīng)元（占大腦神經(jīng)元的19%）和近90億非神經(jīng)元細(xì)胞。小腦有大約690億神經(jīng)元（占大腦神經(jīng)元的80.2%）和約160億非神經(jīng)元細(xì)胞。有趣的是，人類大腦中神經(jīng)元的總數(shù)與宇宙中可觀測到的星系的數(shù)量大致相同。

我們完全可以從宇宙網(wǎng)絡(luò)和大腦的圖像上一眼看出二者的相似性。圖1中呈現(xiàn)了一幅直徑10億光年的宇宙物質(zhì)的模擬分布圖，以及一只4微米寬的人類小腦的實像圖片。

模擬宇宙網(wǎng)絡(luò)（左）的物質(zhì)分布與在小腦（右）中觀察到的神經(jīng)元分布。神經(jīng)細(xì)胞已經(jīng)被克隆2F11單克隆抗體染色與神經(jīng)纖維絲產(chǎn)生對照。Automated Immunostainer Benchmark Xt, Ventana Medical System, Tucson, AZ, USA

這種明顯的相似性，是否可能僅僅是人類在大量隨機(jī)的數(shù)據(jù)中有目的性地去發(fā)現(xiàn)一些“具備意義”的傾向性？我們要知道，答案似乎是否定的：統(tǒng)計分析顯示，宇宙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和神經(jīng)元系統(tǒng)在數(shù)量上確實有相似性。研究人員經(jīng)常使用功率譜分析技術(shù)（power spectrum analysis）來研究規(guī)模龐大的星系分布狀況。對某張圖片進(jìn)行功率譜分析，能夠測量出屬于特定空間規(guī)模的結(jié)構(gòu)波動強(qiáng)度。換句話說，每個圖像特有的空間規(guī)模是整個曲子的旋律，那么功率譜分析可以告訴我們，在這整個旋律中，高音和低音音符各有多少。

圖2（下圖）的功率譜圖中呈現(xiàn)出一個令人震驚的信息：兩種網(wǎng)絡(luò)中，波動的相對分布非常相似，這種相似性超越了二者規(guī)模上的巨大差異。

一個不斷演化的星系并不關(guān)心原子中的電子舞動的軌跡。

小腦的波動分布在0.1-1毫米的范圍內(nèi)。我們可以聯(lián)想，在幾億光年的宇宙范圍內(nèi)，銀河系的波動分布應(yīng)該也是如此。在最小的空間規(guī)模條件下，我們可以進(jìn)行微觀（約為10微米）的觀測，大腦皮層的神經(jīng)元分布與大小數(shù)十萬光年的宇宙空間和星系形態(tài)更加相似。

相比之下，其他復(fù)雜系統(tǒng)的功率譜（包括云、樹枝、等離子體和水的湍流的投影圖像）與宇宙網(wǎng)絡(luò)的圖像不同。這些系統(tǒng)的功率譜對于空間規(guī)模有著更大的依賴性，這也是其分形（fractal）特性的表現(xiàn)。樹枝的分布和云層的分布尤其明顯，二者也都是非常典型的分形結(jié)構(gòu)，在不同的規(guī)模上重復(fù)著類似的結(jié)構(gòu)模式。從另一方面來說，對于宇宙網(wǎng)和人腦的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)而言，它們的圖像并不存在分形的特征，這也是解釋它們出現(xiàn)規(guī)模依賴性和自組織結(jié)構(gòu)（self-organization）的依據(jù)。

與功率譜比較相同，圖像無法讓我們直接判斷出這兩個系統(tǒng)是否同樣復(fù)雜。評估系統(tǒng)復(fù)雜性的一種實用方法是衡量預(yù)測其行為的難度。研究人員可以通過計算構(gòu)建最精簡的預(yù)測程序所需要的最少數(shù)位信息量進(jìn)行評估，所需信息量越多，則該系統(tǒng)更加復(fù)雜。

上圖為空間波動程度與空間規(guī)模的函數(shù)關(guān)系圖。為了做出對比，圖中也給出了云、樹枝、等離子湍流和水流的能量譜密度。

最近，一位研究者基于數(shù)字模擬宇宙的演化計算出了預(yù)測宇宙網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的困難程度。評估表明，為了出現(xiàn)自組織結(jié)構(gòu)（至少是在模擬程序中），描述整個可觀測宇宙的進(jìn)化過程需要1-10PB（拍字節(jié)，即106GB）。

對人類大腦的復(fù)雜性預(yù)估則要更困難，因為對大腦的模擬在世界范圍內(nèi)仍然是一個前所未有的挑戰(zhàn)。然而，我們可以說，大腦的復(fù)雜性與智力和認(rèn)知成正比?；趯δX神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)鏈接的最新分析，研究者可以得出結(jié)論：成人大腦的總記憶容量應(yīng)該在2.5 PB左右，與之前預(yù)估的星系1-10 PB的范圍相差不遠(yuǎn)。

粗略看來，這種在記憶容量上的相似性意味著，儲存在人腦中的信息（例如，一個人的整個生命歷程）也可以被編碼成我們宇宙中星系的分布。或者，反過來說，一個具有人類大腦記憶能力的計算裝置，可以在規(guī)模最大的宇宙范圍內(nèi)再現(xiàn)其所顯示的復(fù)雜性。

模擬宇宙立方體（長寬為3.5億光年，深度30萬光年）的切片圖反應(yīng)了暗物質(zhì)在宇宙中的分布，白色密集的小點為星系。圖源：Markus Haider / Illustris collaboration

事實上，宇宙網(wǎng)絡(luò)與人腦的相似性比與內(nèi)部的星系更高，換句話說，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)與宇宙網(wǎng)絡(luò)要比與宇宙網(wǎng)絡(luò)的某一內(nèi)部結(jié)構(gòu)更相似，這是一個值得深思的事實。盡管二者在基質(zhì)、物理機(jī)能和大小上存在著巨大的差異，但結(jié)合信息理論工具來看，人類的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和星系之間的宇宙網(wǎng)絡(luò)的確有著驚人的相似之處。

這一事實告訴我們，這兩種系統(tǒng)中涌現(xiàn)的現(xiàn)象有什么物理學(xué)意義嗎?也許吧。但我們必須對這些發(fā)現(xiàn)持保留態(tài)度。我們的分析僅限于用非常不同的測量技術(shù)研究很小的樣本。

此外，我們的分析并沒有指出這些系統(tǒng)之間的動態(tài)相似性。在這兩個系統(tǒng)中建立隨時間跨越空間規(guī)模的信息模型是接下來需要研究的關(guān)鍵問題。對宇宙網(wǎng)絡(luò)，這種模擬已經(jīng)是可以通過數(shù)值模擬進(jìn)行預(yù)估。對于人類的大腦，我們必須依賴更多的全球樣本估算，通常是由小樣本測出，然后按比例放大。在不久的將來，我們的目標(biāo)是在更復(fù)雜的人腦數(shù)值模型中測試這些概念。

像人類大腦工程（Human Brain Project）這樣的項目都旨在模擬整個人類的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而Square Kilometer Array是射電天文學(xué)領(lǐng)域（radio astronomy）里最大的企業(yè)，它將幫助我們填補(bǔ)這些細(xì)節(jié)，并讓大家了解，宇宙是否比我們想象得更驚人。