شباهت عجیب و عمیق شبکه نورون و شبکه کهکشانی: حافظه شما میتواند در ساختار کیهان ذخیره شود!
شباهت عجیب و عمیق شبکه نورون و شبکه کهکشانی: حافظه شما میتواند در ساختار کیهان ذخیره شود!
دیپ لوک: یکی از جذابترین سوالاتی که در مورد اجزای کائنات، به ذهن خطور میکند، امکان شباهت ساختاری آنهاست. آیا ممکن است بین ساختار ریزترین ذرات هستی و عظیمترین آنها، شباهتی وجود داشته باشد؟! میخواهیم این سوال را برای دو مورد از پیچیدهترین سیستمهای کائنات، یعنی شبکه نورون مغز انسان و شبکهی کهکشانی بررسی کنیم. آیا این دو سیستم عجیب و شگفتانگیز به یکدیگر شبیهاند؟ برای پاسخ به این سوال جذاب، با ما همراه باشید…
این نوشتار، ترجمهی یکی از مقالات سایت ناتیلوس است که هفتهی پیش در تازهترین شمارهی آن با نام «ظهوریافتگی» منتشر شد. این مقاله را فرانکو واز (کیهان شناس) و آلبرتو فلتی (عصبشناس) نگاشتهاند.
کریستوف کخ، پژوهشگر برجسته در زمینه آگاهی، مغز انسان را به عنوان «پیچیده ترین عنصر شناخته شده در جهان» معرفی میکند. برای تایید جملهی فوق، کافی است بدانید مغز انسان، ساختاری بسیار پیچیده متشکل از صد میلیارد نورون و یکصد تریلیون اتصال است. البته مغز، تنها سیستم پیچیده در گیتی نیست و اشیای پیچیدهی دیگری نیز وجود دارند، مثلا کهکشانها که خود میتوانند به ساختارهای عظیمی به نام خوشهها، ابر خوشهها و رشتهها دستهبندی شوند که وسعت آنها به صدها میلیون سال نوری میرسد. مرز میان این ساختارهای فضایی و فضای خالی مجاور آنها (حفره کیهانی)، از دیگر ساختارهای پیچیده است. گرانش موجود در این فضا سرعت اجسام را به هزاران کیلومتر بر ساعت افزایش میدهد و باعث ایجاد امواج شوک و آشفتگی در فضای بین کیهانی میشود. بر اساس تعداد بیتهای اطلاعات اندازه گیریشده برای توصیف مرزهای بین رشتهای در کهکشانها میتوان آنها را یکی از پیچیدهترین عناصر شناخته شده در جهان به شمار آورد، اما آیا این پیچیدگی با پیچیدگی شبکه نورونها در مغز انسان شباهتی دارد؟ آیا سیستمی پیچیدهتر از مغز انسان نیز وجود دارد؟
سو وی (So We)-متخصص نورون شناسی و فیزیک نجومی، از یک سیستم کامپیوتری برای مقایسه مقیاس پیچیدگی شبکههای کیهانی و شبکههای عصبی استفاده کرده است. اولین نتایج حاصل از این مطالعه بسیار از تعجب آور بود: پیچیدگی مغز و شبکه کیهانی، نه تنها شبیه هم بودند، بلکه این شباهت در ساختار آنها نیز مشاهده شد. به نظر میرسد گیتی در ابعاد مختلف، شباهتهای اساسی دارد، حتی با اختلاف ابعاد میلیارد میلیارد میلیارد!
به طور کلی دیدگاه مقایسهی ساختار مغز انسان و خوشههای کیهانی، مشکلات فراوانی دارد، مثلا اندازه گیری اطلاعات مورد نیاز در مورد هر یک از آنها نیازمند روشهای کاملا متفاوتی است. از سویی برای مطالعات کیهانی نیاز به تلسکوپ و شبیه سازیهای عددی داریم و از سوی دیگر برای بررسی ساختار مغز به میکروسکوپ الکترونی، ایمونوهیستوشیمی (بافتشیمی) و رزونانس مغناطیسی هستهای نیازمندیم. از طرفی باید مقیاسهای بسیار متنوعی را برای این مقایسه در نظر بگیریم: کل شبکه کیهانی (به عنوان مقیاسی از یک ساختار بزرگ و متشکل از تمام کهکشانهای جهان) که دارای وسعتی بیش از حداقل چند ده میلیارد سال نوری است. این مقیاس، ده به توان ۲۷ برابر بزرگتر از مقیاس مغز انسان است. به علاوه، تنها یکی از این کهکشانها (یعنی کهکشان خودمان)، میلیاردها مغز واقعی را در خود جای داده است! اگر این شبکههای کیهانی حداقل به اندازه یکی از اجزای تشکیل دهنده آن پیچیده باشد، برابری پیچیدگی آن با ساختار مغز انسان ممکن است ساده لوحانه به نظر برسد.
با استفاده از مفهوم ظهوریافتگی (emergence)، امکان مقایسه بین شبکه نورون در مغز انسان و شبکه کهکشانی میسر میشود. بسیاری از پدیدههای طبیعی در مقیاسهای مختلف، به یک اندازه، پیچیده نیستند. شبکه عظیم کهکشانی تنها زمانی آشکار میشود که جهان را از بالاترین حد ممکن، نگاه کنیم. در واقع با نگاه کردن به مقیاسهای کوچکتر، مثلا فواصل بین ستارهها، سیارات و (احتمالا) ابرهای ماده تاریک، این شبکه عظیم، قابل مشاهده نیست. یک کهکشان در حال تکامل، اهمیتی برای حرکت الکترون در اوربیتالهای اتمی قائل نیست و از طرفی الکترونها بدون توجه به سیستم کهکشانی که در آنها مستقر هستند، در اطراف هسته خود حرکت میکنند! به این ترتیب، جهان شامل بسیاری از سیستمهای موجود در یک سیستم دیگر است که با مقیاسهای مختلف در ارتباط نیستند. این تفکیک مقیاس به ما اجازه میدهد پدیدههای فیزیکی را در مقیاس طبیعی خود بررسی کنیم.
واحدهای سازنده شبکهی کهکشانی، هالههای خودگرانی ستارگان، گاز و ماده تاریک (که هنوز به طور کامل مورد تایید قرار نگرفته) هستند. در کل، تعداد کهکشانها در جهانِ قابل مشاهده باید در حدود ۱۰۰ میلیارد باشد. علت شبکه عنکبوتی مانند فضا را میتوان در سرعت افزایش گسترش و خود گرانی (self-gravity) کیهان جستجو کرد. ماده معمولی و تاریک، ساختاری رشته مانند به خود میگیرند و خوشههای کیهانی به صورت رشتههای متقاطع با آنها شکل مییابند، در نتیجه بیشتر حجم باقی مانده، اساسا خالی است و این باعث میشود تا شبکههای کیهانی ساختاری مشابه با ساختارهای بیولوژیکی داشته باشند.
هنوز تخمین دقیقی از تعداد سلولها یا نورونهای موجود در مغز انسان، بدست نیامده است. ماده خاکستری قشر مغز (که بیش از ۸۰ درصد از نورونهای مغز را تشکیل میدهد)، حدود ۶ میلیارد نورون (۱۹ درصد نورون مغزی) و نزدیک به ۹ میلیارد سلول غیر عصبی دارد. مخچه دارای حدود ۶۹ میلیارد نورون (۸۰.۲ درصد نورون مغزی) و حدود ۱۶ میلیارد سلول غیر عصبی است. نکتهی بسیار جالب اینکه، تعداد کل نورونها در مغز انسان برابر با تعداد کهکشانها در جهانِ قابل مشاهده است!
اگر تصاویری از شبکهی کهکشانی و نورونهای مغز را در کنار یکدیگر قرار دهیم، چشم به راحتی میتواند شباهتهای میان آنها را درک کند. به کمک تصویر زیر (شکل ۱)، یک مقایسه انجام شده: تصویر سمت چپ، تصویری شبیهسازی شده از شبکهی کیهانی در مقیاس ۱ میلیارد سال نوری است و تصویر سمت راست نیز تصویری از ۴ میکرومتر مخچهی مغز انسان است.
شکل ۱- مقایسه ساختار شبکه نورونی (راست) و شبکه کهکشانی (چپ)
آیا این شباهتهای ظاهری به خود ما مربوط میشود؟ آیا ما علاقهای به کشف شباهتها در الگوهای تصادفی داریم؟ کاملا مشخص است که پاسخ منفی است. تجزیه و تحلیل آماری نشان میدهد که این سیستمها واقعا شباهتهای کمیتی دارند. پژوهشگران به طور منظم از روشی به نام «تجزیه و تحلیل طیفی توان» (power spectrum analysis) برای بررسی و مطالعهی رشتههای کهکشانی در مقیاسهای بزرگ استفاده میکنند. طیف توان یک تصویر، قدرت افت و خیزهای ساختاری یک مقیاس فضایی خاص را اندازه میگیرد. به عبارت دیگر، این طیف به ما میگوید چند نت با فرکانس بالا و چند نت با فرکانس پایین، ملودی فضایی خاص هر تصویر را میسازند.
از بررسی نمودارهای طیف توان، نتایج قابل توجهی به دست آمده است (شکل ۲): توزیع نسبی افت و خیزها در دو شبکه به طور قابل توجهی، مشابه یکدیگر است. توزیع افت و خیزهای مخچه در مقیاسهای ۱-۰.۱ میلیمتری، شبیه توزیع کهکشان در فاصلهی صدها میلیارد سال نوری است. در کوچکترین مقیاسهای میکروسکوپی قابل مشاهده (حدود ۱۰ میکرومتر)، مورفولوژی (ربخت شناسی) قشر مخچهی مغز، شباهت بیشتری با ساختار یک کهکشان، در مقیاس چند صد هزار سال نوری پیدا میکند.
دانشمندان برای مقایسهی دقیقتر، 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 احتمالا نشاندهندهی ویژگی فراکتال (یعنی هرچه مقیاس را بزرگتر کنیم همان شکل اولیه بهدست آید) 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، 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.
نکتهی قابل توجه در مقایسهی طیف توان این است که این طیف به ما نمیگوید آیا این دو سیستم، به یک اندازه پیچیده هستند یا نه؟ یک روش عملی تخمین پیچیدگی شبکه، اندازهگیری میزان پیچیدگی در پیش بینی رفتار آن است. این تخمین را میتوان با شمارش میزان بیت (Bit) اطلاعات مورد نیاز برای ساختن کوچکترین برنامه کامپیوتری که امکان چنین پیش بینی را دارد، برآورد کرد. گروهی از دانشمندان به طور تخمینی، با بررسی دیجیتالی یک جهان شبیه سازی شده، میزان پیچیدگی گسترش یک شبکه کیهانی را بررسی نمودند. این برآورد نشان میدهد برای توصیف تکامل کل جهان قابل مشاهده در مقیاس زمانی که ظهور می کند، در حدودا ۱ تا ۱۰ پتابایت (ده به توان ۱۵ بایت) داده مورد نیاز است.
برآورد پیچیدگی مغز انسان بسیار دشوار است، زیرا شبیه سازی آن، یک چالش بی پاسخ است. با این حال، میتوان چنین استدلال کرد که میزان پیچیدگی با هوش و شناخت، متناسب است. دانشمندان در مطالعات مستقلی در تجزیه و تحلیل اتصالات شبکه مغز و نورون، به این نتیجه رسیدهاند که ظرفیت حافظه انسان بالغ، در حدود ۲.۵ پتابیت است که با میزان مورد نیاز برای بررسی شبکه کیهانی تفاوت چندانی ندارد!
به طور کلی، این شباهت در میزان ظرفیت حافظهی مورد نیاز برای ذخیره سازی اطلاعات در این دو نوع شبکه، بدین معنا است که کل اطلاعاتی که در یک مغز انسان ذخیره میشود (به عنوان مثال، تمام تجربه زندگی فرد) میتواند به توزیع کهکشانها در جهان ما نیز رمزگذاری شود یا برعکس، یک دستگاه محاسباتی با ظرفیت حافظه مغز انسان توانایی نمایش پیچیدگی جهان را در بزرگترین مقیاس آن دارد و این واقعا شگفتانگیز است!
پس باید گفت 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. علیرغم تفاوتهای فوق العادهای که شبکهی عصبی انسان و شبکه کیهانی کهکشان در بستر مکانیزمهای فیزیکی و اندازه با یکدیگر دارند، وقتی با نظریهی اطلاعات بررسی شوند، کاملا شبیه به یکدیگر هستند!
آیا این واقعیت چیزی درباره فیزیک پدیدههای ظهوریافته در دو سیستم به ما میدهد؟ شاید. اما باید این نکته را نیز در نظر گرفت که تجزیه و تحلیل ما محدود به نمونههای کوچک و با تکنیکهای اندازهگیری بسیار متفاوت انجام میگیرد. همچنین، تجزیه و تحلیل ما به شباهت دینامیکی بین این سیستمها اشاره نمی کند، بلکه تنها یک مدل از چگونگی جریان اطلاعات در مقیاسهای فضا و زمان در دو سیستم ارایه میکند. چنین بررسیهایی در حال حاضر برای شبکهی کیهانی از طریق شبیه سازی های عددی امکان پذیر است، اما برای مغز انسان، باید به تخمینهای حاصل از پروتیئنهای کوچکتر که به ابعاد بزرگتر تعمیم داده میشوند، تکیه کنیم. در آیندهای نزدیک، هدف ما از انجام آزمایشها درک مفاهیم حاصل از مدلهای عددی پیچیدهتر مغز انسان و اتصالات میان نورونهای آن خواهد بود.
برنامههایی مانند پروژه مغز انسان که برای شبیه سازی شبکهی عصبی انسان طراحی شده، به ما کمک میکند تا برخی از این جزئیات را درک کنیم و دریابیم که آیا جهان از آنچه که ما تصور میکنیم شگفت آورتر 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.
