Estudo mapeia as estranhas semelhanças estruturais entre o cérebro humano e o universo

Uma peculiaridade fascinante do Universo é que formas e padrões podem ser encontrados em contextos extremamente diferentes: a Espiral Dourada pode ser vista na cóclea humana e na forma de uma galáxia espiral; a geometria fractal de veias ecoou na ramificação do relâmpago.

Em um novo estudo piloto ousado, um astrofísico e um neurocirurgião subiram um degrau, usando análise quantitativa para comparar dois dos sistemas mais complexos da natureza: a rede neuronal no cérebro humano e a rede cósmica de galáxias no Universo.

Na verdade, não é uma comparação tão peculiar. Você pode ter visto uma imagem que ocasionalmente é compartilhada, mostrando um neurônio humano e um aglomerado de galáxias simulado, lado a lado; os dois são surpreendentemente semelhantes.

galáxia de neurônios

Mas há muito mais no cérebro humano – e no Universo – do que sua aparência.

Assim, o astrofísico Franco Vazza, da Universidade de Bolonha, na Itália, e o neurocirurgião Alberto Feletti, da Universidade de Verona, na Itália, passaram os últimos anos investigando para determinar se as semelhanças são mais profundas.

Escrevendo no Nautilus Quarterly em 2017, eles explicaram:

“As galáxias podem se agrupar em estruturas enormes (chamadas de aglomerados, superaglomerados e filamentos) que se estendem por centenas de milhões de anos-luz. A fronteira entre essas estruturas e os trechos vizinhos de espaço vazio chamados vazios cósmicos pode ser extremamente complexa.

A gravidade acelera a matéria nesses limites a velocidades de milhares de quilômetros por segundo, criando ondas de choque e turbulência em gases intergalácticos.

Previmos que o limite do filamento vazio é um dos volumes mais complexos do universo, medido pelo número de bits de informação necessários para descrevê-lo.

Isso nos levou a pensar: é mais complexo do que o cérebro? ”

Os dois tipos de estruturas diferem em tamanho em 27 ordens de magnitude (isso é um bilhão de bilhões de bilhões). Mas os resultados da equipe sugerem que, embora os processos físicos que conduzem a estrutura do Universo e a estrutura do cérebro humano sejam extremamente diferentes, eles podem resultar em níveis semelhantes de complexidade e auto-organização, disseram os pesquisadores.

O ponto de partida foi descobrir semelhanças entre os dois. O cerebelo humano tem cerca de 69 bilhões de neurônios; a teia cósmica observável contém mais de 100 bilhões de galáxias. Esse é um.

Ambos os sistemas estão organizados em redes bem definidas, com nós (neurônios no cérebro, galáxias no Universo) conectados por meio de filamentos.

Tanto os neurônios quanto as galáxias têm um raio de escala típico que é apenas uma fração do comprimento dos filamentos. E o fluxo de informações e energia entre os nós é de apenas cerca de 25% do conteúdo de massa e energia de cada sistema.

Além disso, existem semelhanças entre a composição do cérebro e a composição do Universo. O cérebro contém cerca de 77% de água. O Universo tem cerca de 72% de energia escura .

Ambos são materiais aparentemente passivos que permeiam seus respectivos sistemas e desempenham apenas um papel indireto em suas estruturas internas.

Definidas essas semelhanças, a equipe a seguir empreendeu a comparação quantitativa dos dois, com base em imagens. Eles obtiveram fatias do cerebelo e do córtex humano em diferentes ampliações e as compararam com simulações da teia cósmica.

O que eles procuravam eram semelhanças nas flutuações da densidade da matéria entre os cérebros e a teia cósmica. E eles descobriram que a distribuição relativa das flutuações nos dois sistemas era incrivelmente semelhante – embora em escalas muito diferentes.

teia cósmica do cérebro
Uma fatia do cerebelo com ampliação de 40x (esquerda) e teia cósmica simulada a 300 anos-luz de cada lado (direita). (Universidade de Bolonha)

“Calculamos a densidade espectral de ambos os sistemas. Esta é uma técnica frequentemente empregada em cosmologia para estudar a distribuição espacial das galáxias”, disse Vazza .

“Nossa análise mostrou que a distribuição da flutuação dentro da rede neuronal do cerebelo em uma escala de 1 micrômetro a 0,1 milímetros segue a mesma progressão da distribuição de matéria na teia cósmica, mas, é claro, em uma escala maior que vai de 5 milhões a 500 milhões de anos-luz. ”

Mas não foi só isso.

A equipe analisou outras características morfológicas, como o número de filamentos conectados a cada nó. A teia cósmica, baseada em uma amostra de 3.800 a 4.700 nós, tinha em média 3,8 a 4,1 conexões por nó. O córtex humano, para uma amostra de 1.800 a 2.000 nós, tinha uma média de 4,6 a 5,4 conexões por nó.

Além disso, ambos os sistemas mostraram uma tendência de agrupar as conexões em torno dos nós centrais. E ambos parecem ter capacidade de informação semelhante.

Um estudo recente sugere que a memória do cérebro humano é de cerca de 2,5 petabytes . Outro estudo recente , de Vazza, sugere que a capacidade de memória necessária para armazenar a complexidade do Universo gira em torno de 4,3 petabytes.

“Grosso modo”, escreveram os pesquisadores em 2017 , “essa semelhança na capacidade de memória significa que todo o corpo de informações que é armazenado em um cérebro humano (por exemplo, toda a experiência de vida de uma pessoa) também pode ser codificado na distribuição de galáxias em nosso universo. ”

Isso não quer dizer que o Universo seja um cérebro ou capaz de ter consciência. Mas sugere que as leis que governam o crescimento das estruturas de ambos podem ser as mesmas.

De acordo com um artigo de 2012 baseado em simulações , a rede causal que representa a estrutura em grande escala do espaço-tempo em nosso universo em aceleração é um gráfico de lei de potência notavelmente semelhante ao cérebro humano.

Estudos como este, de Vazza e Feletti, podem abrir caminho para um melhor entendimento dessas leis.

“Mais uma vez, os parâmetros estruturais identificaram níveis de concordância inesperados. Provavelmente, a conectividade dentro das duas redes evolui seguindo princípios físicos semelhantes, apesar da diferença notável e óbvia entre os poderes físicos que regulam galáxias e neurônios”, disse Feletti .

“Essas duas redes complexas mostram mais semelhanças do que aquelas compartilhadas entre a teia cósmica e uma galáxia ou uma rede neuronal e o interior de um corpo neuronal.”

A pesquisa foi publicada na Frontiers in Physics .