Ähnelt das menschliche Gehirn dem Universum?

Ein Vergleich zwischen einem Kleinhirn-Schnitt unter dem Elektronenmikroskop mit 40-facher Vergrößerung und einem Abschnitt einer kosmologischen Simulation mit einer Ausdehnung von 300 Lichtjahren. Copyright: Universität Bologna
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Ein Vergleich zwischen einem Kleinhirn-Schnitt unter dem Elektronenmikroskop mit 40-facher Vergrößerung und einem Abschnitt einer kosmologischen Simulation mit einer Ausdehnung von 300 Lichtjahren. Copyright: Universität Bologna

Ein Vergleich zwischen einem Kleinhirn-Schnitt unter dem Elektronenmikroskop mit 40-facher Vergrößerung und einem Abschnitt einer kosmologischen Simulation mit einer Ausdehnung von 300 Lichtjahren.
Copyright: Universität Bologna

Bologna (Italien) – Ein Astrophysiker und ein Neurochirurg untersuchen in einer aktuellen Studie die Ähnlichkeiten zwischen zwei der herausforderndsten und komplexesten Systeme der Natur: dem kosmischen Netzwerk von Galaxien und das Netzwerk neuronaler Zellen im menschlichen Gehirn und finden erstaunliche Übereinstimmungen.

Trotz des erheblichen Skalenunterschieds zwischen den beiden Netzwerken (mehr als 27 Größenordnungen) deutet die von dem Astrophysiker Franco Vazza von der Università di Bologna Bologna und dem Neurochirurgen Alberto Feletti von der Universita di Verona aktuell im Fachjournal „Frontiers of Physics“ (DOI: 10.3389/fphy.2020.525731) veröffentlichte quantitative Analyse an der Schnittstelle zwischen Kosmologie und Neurochirurgie darauf hin, dass verschiedene physikalische Prozesse Strukturen mit einem ähnlichen Maß an Komplexität und Selbstorganisation aufbauen können.

„Das menschliche Gehirn funktioniert dank seines breiten neuronalen Netzwerks, das ungefähr 69 Milliarden Neuronen enthält“, erläutert das Wissenschaftler-Duo. „Andererseits kann das beobachtbare Universum auf ein kosmisches Netz von mindestens 100 Milliarden Galaxien zählen. In beiden Systemen bestehen nur 30 Prozent ihrer Massen aus Galaxien und Neuronen. In beiden Systemen ordnen sich Galaxien und Neuronen in langen Filamenten oder Knoten zwischen den Filamenten an. Zudem bestehen in beiden Systemen 70 Prozent der Verteilung von Masse oder Energie aus Komponenten, die eine scheinbar passive Rolle spielen: Wasser im Gehirn und dunkle Energie im beobachtbaren Universum.“

Ausgehend von den gemeinsamen Merkmalen der beiden Systeme verglichen die Forscher eine Simulation des Galaxiennetzwerks mit Abschnitten der Großhirnrinde und des Kleinhirns.

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Ziel der beiden Forscher war es, zu beobachten, wie sich Materie-Fluktuationen über derart unterschiedliche Skalen verteilen. “Wir haben die spektrale Dichte beider Systeme berechnet. Diese Technik wird in der Kosmologie häufig zur Untersuchung der räumlichen Verteilung von Galaxien eingesetzt”, erklärt Franco Vazza. “Unsere Analyse hat gezeigt, dass die Verteilung der Fluktuation innerhalb des neuronalen Netzwerks des Kleinhirns auf einer Skala von 1 Mikrometer bis 0,1 Millimeter dem gleichen Verlauf der Verteilung der Materie im kosmischen Netz folgt, aber natürlich in einem größeren Maßstab von 5 Millionen bis 500 Millionen Lichtjahre “.

Hinzu haben die Wissenschaftler auch einige Parameter berechnet, die sowohl das neuronale Netzwerk als auch das kosmische Netz charakterisieren: die durchschnittliche Anzahl von Verbindungen in jedem Knoten und die Tendenz, mehrere Verbindungen in relevanten zentralen Knoten innerhalb des Netzwerks zu gruppieren. “Wieder einmal haben Strukturparameter unerwartete Übereinstimmungsniveaus identifiziert. Wahrscheinlich entwickelt sich die Konnektivität innerhalb der beiden Netzwerke nach ähnlichen physikalischen Prinzipien, trotz des auffälligen und offensichtlichen Unterschieds zwischen den physikalischen Kräften, die Galaxien und Neuronen regulieren”, fügt Alberto Feletti hinzu. “Diese beiden komplexen Netzwerke weisen mehr Ähnlichkeiten auf als diejenigen, die zwischen dem kosmischen Netz und einer Galaxie oder einem neuronalen Netzwerk und dem Inneren eines neuronalen Körpers geteilt werden.”

Die faszinierenden Ergebnisse der nun vorliegenden Pilotstudie veranlassen die Forscher zu der Annahme, dass neue und effektive Analysetechniken in beiden Bereichen, der Kosmologie und der Neurochirurgie, ein besseres Verständnis der Routing-Dynamik ermöglichen, die der zeitlichen Entwicklung dieser beiden Systeme zugrunde liegt.

Quelle: Università di Bologna

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