Bộ não của chúng ta và vũ trụ giống nhau một cách đáng ngạc nhiên

Vũ trụ rộng lớn cận vô tận và bộ não nằm vừa hai lòng bàn tay những hệ thống phức tạp nhất con người từng biết tới. Trong một bài báo gần đây được xuất bản trên tạp chí Frontiers in Physics, các học giả từ Ý đã tìm thấy sự tương đồng nổi bật giữa mạng lưới thần kinh trong não người và mạng lưới thiên hà trong vũ trụ. Điều này dẫn đến một suy luận sâu hơn: cấu trúc của hai hệ thống phức tạp này có thể tương tự nhau.

Về cơ bản, quy mô và và kích thước của 2 cấu trúc này khác nhau khoảng 27 bậc độ lớn (một tỷ tỷ tỷ). Nhưng kết quả của nhóm nghiên cứu cho thấy rằng, mức độ phức tạp và khả năng tự tổ chức của mạng lưới thần kinh và mạng lưới thiên hà có nhiều đặc điểm tương tự nhau.

Bộ não con người là một cấu trúc đa quy mô phức tạp, trong đó các phân tử, tế bào và tế bào thần kinh cùng tồn tại. Nó có thể được mô hình hóa như một mạng lưới nhiều lớp, được gọi là nhóm kết nối não bộ.

Các tế bào thần kinh lân cận được kết nối để tạo thành cấu trúc cục bộ, và các cấu trúc cục bộ khác nhau tạo thành kết nối để thực hiện các chức năng nhận thức. Vén màn bí ẩn về cấu trúc, chức năng của nhóm kết nối não người và làm rõ vai trò của tế bào thần kinh đệm, vi môi trường là những thách thức chính của khoa học thần kinh ngày nay.

Với sự chấp nhận rộng rãi các mô hình vật chất tối và năng lượng tối của các nhà vật lý, vũ trụ cũng có thể được mô hình hóa như một mạng lưới. Hiện tại, mô hình vật chất tối ΛCDM (Lambda-CDM model) đã giải thích tốt quá trình hình thành cấu trúc mạng vũ trụ.

Bởi vì sự khác biệt về mật độ vật chất trong vũ trụ được khuếch đại bởi lực hấp dẫn, vô số cụm thiên hà đã được hình thành, và vật chất của các cụm này tạo thành một mạng lưới lớn.

Trong khuôn khổ của thuyết tương đối rộng, mở rộng tăng tốc có thể được giải thích bằng một giá trị là dương của hằng số vũ trụ Λ, tương đương với sự hiện diện của một năng lượng chân không là dương, được gọi là "năng lượng tối". Trong khi có những cách giải thích khác có thể, thì mô tả với giả thiết rằng năng lượng tối (Λ dương) hiện được sử dụng trong mô hình tiêu chuẩn hiện hành của vũ trụ học, được gọi là ΛCDM ("vật chất tối lạnh Lambda").

Sự tương tác giữa bộ não con người và vũ trụ là hoàn toàn khác nhau, nhưng đã có nhiều quan sát và phỏng đoán về sự giống nhau giữa mạng lưới nơ-ron và mạng lưới vũ trụ dưới sự quan sát từ kính hiển vi và kính thiên văn.

Các nhà nghiên cứu đã phân tích định lượng sự giống nhau giữa hai yếu tố dựa trên quan sát bằng kính hiển vi quang học về mô não và hình ảnh mạng lưới vật chất vũ trụ có độ phân giải cao, với sự trợ giúp của phương pháp phân tích mạng.

Đầu tiên, có sự khác biệt rất lớn về quy mô giữa mạng lưới não và mạng lưới vũ trụ, chúng chỉ tương đồng với nhau trên một quy mô cụ thể. Mạng lưới thần kinh não hiện được cho là bao gồm hàng chục tỷ tế bào thần kinh. Số lượng thiên hà hiện được quan sát thấy trong mạng vũ trụ thì đã vượt quá 100 tỷ.

Ngoài ra, trong mạng lưới thần kinh của não và mạng lưới của vũ trụ, chỉ có một lượng nhỏ vật chất cấu thành mạng lưới. Có một số lượng lớn các lỗ hổng giữa các thiên hà khổng lồ và khoảng 70% khối lượng được tạo ra từ vật chất tối.

Trong não người cũng vậy, là cơ quan sinh học, thành phần quan trọng nhất là nước, trong não người, tế bào thần kinh chỉ chiếm 25% và khoảng 75% là nước. Đến thời điểm này, việc "có nước trong đầu" là có cơ sở khoa học nhất định.

So sánh lát cắt tiểu não (lớp trên), lát vỏ não (lớp giữa) và bản đồ một phần của mạng lưới vũ trụ (lớp dưới).

Chúng ta thấy cấu trúc mạng lưới từ tập dữ liệu như trong hình trên. Nhưng tất nhiên, với những người bình thường như chúng ta, nếu chỉ nhìn vào hình, chúng ta không thấy nhiều điểm tương đồng.

Trong vũ trụ, các cụm thiên hà mật độ lớn chiếm ưu thế, còn trong não người, cụ thể là trong mạng lưới thần kinh, các sợi thần kinh sẽ tạo ra các hoa văn nhỏ đồng nhất. Tuy nhiên, khi các nhà nghiên cứu tăng thêm độ phóng đại của kính hiển vi, họ có thể thấy một số điểm tương đồng với mạng lưới vũ trụ trong các lát cắt não.

So sánh cấu trúc mạng lưới thần kinh của lát não được phóng đại 40 lần và mạng lưới vũ trụ.

Từ hình trên, chúng ta có thể thấy rằng khi mạng lưới thần kinh trong lát não được phóng to lên 40 lần, mạng lưới thần kinh não người trên quy mô 1 micron - 0,1 mm và mạng lưới vũ trụ trên quy mô 5 triệu năm ánh sáng - 500 triệu năm ánh sáng sẽ hiển thị những điểm tương đồng.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu tính toán các thông số đặc trưng trong hai mạng lưới đặc biệt này - mức độ kết nối trung bình của các nút và hệ số phân cụm của nút trung tâm. Các tham số đặc trưng của các cấu trúc mạng này cũng thể hiện tính nhất quán. Mặc dù các thiên hà và mạng lưới thần kinh não là hai đối tượng hoàn toàn khác nhau, nhưng sự kết nối của mạng lưới của chúng tuân theo các quy luật vật lý tương tự.