reti neuronali

Confronto quantitativo tra le reti neuronali e le reti cosmiche

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Recentemente è stato osservato che esiste una inaspettata somiglianza tra il mondo delle reti neuronali del cervello umano e le reti cosmiche delle galassie. 

Questa sorprendente osservazione è stata fatta dai due ricercatori Franco Vazza del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Bologna  e Aberto Faletti, del Dipartimento di Neuroscienze, Biomedicina e Movimento dell’Università di Verona.

I due studiosi hanno esplorato le proprietà strutturali, morfologiche e la capacità di memoria di questi due sistemi, concludendo che nonostante i due sistemi si trovino su scale molto differenti mostrano un autorganizzazione basata su principi simili.

Del cervello umano si sa che è una struttura complessa, che si sviluppa su più scale sia spaziale che temporalmente e  in cui coesistono fenomeni cellulari, molecolari e neuronali. Il cervello umano può essere modellato come una rete gerarchica in cui i neuroni si raggruppano in circuiti, colonne e diverse aree funzionali interconnesse. La struttura della rete neuronale consente il collegamento tra diverse aree, tutte dedicate all’elaborazione di specifiche attività spaziotemporali, formando le basi fisiche e biologiche della cognizione. 

Cosa sappiamo dell’Universo? L’Universo, secondo la vasta raccolta di dati del telescopio, raccolta nel corso di molti decenni, sembra essere ragionevolmente ben descritto da un modello fisico chiamato modello ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter), che tiene conto della gravità della materia ordinaria e oscura (cioè particelle che interagiscono molto debolmente), dello spazio-tempo in espansione descritto dalla Relatività Generale e dall’energia antigravitazionale associata allo spazio vuoto, chiamata “energia oscura”.

Tale modello offre attualmente la migliore immagine di come le strutture cosmiche siano emerse e abbiano formato la rete cosmica. Gli elementi costitutivi più importanti della rete cosmica sono gli aloni auto gravitanti dominati dalla materia oscura, in cui la materia ordinaria è collassata per formare le galassie (e tutte le stelle al loro interno). La distribuzione iniziale delle fluttuazioni di densità della materia è stata amplificata all’inizio dall’azione della gravità e si è sviluppata in gruppi più grandi o ammassi di galassie, filamenti, fogli di materia e vuoti, cioè in una rete che su larga scala si espande in tutte le direzioni dello spazio.

Sebbene le interazioni fisiche  nei due sistemi, quello del cervello umano e dell’Universo, siano completamente diverse, la loro osservazione attraverso tecniche microscopiche e telescopiche ha mostrato una morfologia simile, tanto da ipotizzare che la rete cosmica e la rete dei neuroni sono simili e potrebbero avere proprietà comuni.

Si può notare che i due sistemi morfologicamente sono organizzati in reti ben definite, con circa 1010-1011 nodi interconnessi tramite filamenti che nel caso cosmico corrispondono alle galassie con masse paragonabili o maggiori a quella della Via Lattea.  Le galassie e i neuroni hanno un raggio che è solo una frazione molto piccola della lunghezza tipica dei filamenti a cui sono collegati. Inoltre, i dati disponibili suggeriscono che il flusso di informazioni ed energia nelle due reti è per lo più limitato a 25% del contenuto di massa / energia di ciascun sistema.

Dal confronto, emerge che i due sistemi, in entrambe i casi hanno il 75 % della massa/ della distribuzione di energia fatta di materia passiva: acqua nel caso del cervello e materia oscura nel caso del cosmo.

I ricercatori affermano che questa linea di ricerca apre la strada verso la possibilità di misurare la capacità di memoria di entrambe le reti, un compito attualmente difficile in seguito agli approcci radicalmente diversi attualmente disponibili per misurare e per monitorare il flusso di informazioni al loro interno.

Esistono possibili somiglianze anche sotto questo aspetto. La capacità di memoria totale del cervello umano è stata recentemente misurata mediante lo studio di microscopia elettronica a sezione per ricostruire la distribuzione 3D delle spine dendritiche e delle loro sinapsi. La caratterizzazione mostra che esistono 26 distinte forze sinaptiche, circa 4,7 bit di informazioni per cellula neuronale. Considerando la media totale di nodi nella rete neuronale, questo produce una capacità di memoria del cervello umano di circa 2,5 Petabyte.

Per la rete cosmica, la quantità di informazioni codificate dalla struttura tridimensionale della rete cosmica è stata quantificata attraverso il calcolo della “complessità statistica” e corrisponde a circa 4,3 Petabyte di memoria, necessari per memorizzare le informazioni della struttura cosmica all’interno dell’intero osservabile Universo.

Queste somiglianze potrebbero apparire solo una coincidenza, anche perchè in particolare nel caso della rete cosmica, questi numeri sono noti solo approssimativamente.

Rivista: Frontiers in Physics 

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