فرانکو وَتزا، پژوهشگر مطالعه‌ای که از شباهت بسیار زیاد میان مغز انسان و عالم هستی خبر می‌دهد در گفت‌وگو با جام‌جم از نتایج این یافته‌ها می‌گوید
خیلی شبیه؛ خیلی پیچیده!
نتایج مطالعه‌ای که به‌تازگی در نشریه علمی Frontiers of Physics منتشر شده است نشان می‌دهد دو مورد از معمایی‌ترین و پیچیده‌ترین سامانه‌های حاضر طبیعت از درون شبیه یکدیگر هستند. نخست، شبکه کهکشان‌هایی که عالم را تشکیل می‌دهند و دیگری، شبکه اعصابی که داخل مغز انسان قرار دارند. این پژوهش که حاصل بررسی‌های یک عصب‌شناس و یک اخترفیزیکدان ایتالیایی است پیشنهاد می‌دهد فرآیندهای فیزیکی کاملا مختلف می‌توانند ساختارهای به‌طرز شگفت‌انگیزی مشابه را در سطوح پیچیده و خودسازمان‌دهی‌کننده شکل دهند. فرانکو وَتزا (Franco Vazza) اخترفیزیکدان دپارتمان فیزیک و نجوم دانشگاه بلونیا و موسسه اخترشناسی رادیویی ایتالیا و آلبرتو فِلِتی (Alberto Feletti) عصب‌شناس موسسه جراحی مغزواعصاب و استاد دپارتمان علوم اعصاب و علوم حرکتی دانشگاه وِرونا دریافتند عملکردهای مغز انسان را شبکه وسیعی متشکل از حدود 69میلیارد عصب تعیین می‌کنند و عالم مرئی که از شبکه کیهانی (Cosmic web) تشکیل شده میزبان دست‌کم 100میلیارد کهکشان است. با این‌که تفاوت عظیمی میان ابعاد این دو سامانه وجود دارد، در هر دو مورد، کهکشان‌ها و عصب‌ها فقط کسر کوچکی از جرم این دو شبکه (حدود 30 درصد آن) را اشغال می‌کنند و در هر دو مورد، حدود 70درصد از توزیع جرم یا انرژی از بخشی تشکیل شده که نقشی به‌ظاهر منفعل را ایفا می‌کند: آب درمورد مغز و انرژی تاریک برای عالم قابل مشاهده. نتایج این مطالعه سبب شد در مصاحبه تلفنی اختصاصی با فرانکو وتزا گفت‌وگو کنیم.
پژوهشی که شما انجام دادید نتیجه همکاری میان اخترفیزیک و عصب‌شناسی است. چطور فکر انجام چنین مطالعه‌ای به ذهنتان رسید؟
در واقع، این موضوع که مغز انسان و شبکه کیهانی بسیار به‌هم شبیه هستند را می‌توانید از سال‌ها قبل در اینترنت بیابید و داستان‌ها و تصاویری درباره آن پیدا کنید. بنابراین، از مسأله جدیدی حرف نمی‌زنیم. هرچند همواره این کنجکاوی وجود داشت که این موضوع از منظر عینی، علمی و کَمّی هم بررسی شود. اما این‌که چرا من و پروفسور فِلِتی تصمیم به انجام این پژوهش گرفتیم به دوستی دیرین ما بازمی‌گردد. ما در شهر کوچکی در شمال ونیز از دبستان تا دبیرستان همکلاسی بودیم و همدیگر را بیشتر از 30 سال است که می‌شناسیم. البته هر دو سال‌هاست دیگر در آن شهر کوچک زندگی نمی‌کنیم و قبل‌از همه‌گیری کووید-19، اوقاتی که برای تعطیلات و دیدن والدین‌مان به آن شهر کوچک بازمی‌گشتیم بعضی وقت‌ها برای احوال‌پرسی و نوشیدن قهوه همدیگر را می‌دیدیم. طی این ملاقات‌ها هریک از ما از فعالیت‌های علمی‌اش حرف می‌زد تا این‌که به‌این نتیجه رسیدیم که برای یافتن پاسخی برای این پرسش که آیا واقعا میان مغز انسان و شبکه کیهانی شباهت‌هایی وجود دارد داده‌هایی در اختیار داریم که می‌توانیم از آنها استفاده کنیم. برای مثال، داده‌هایی که من در اختیار داشتم شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای تکامل عالم بود و داده‌های او، اسلایدهای آزمایشگاهی از مغز انسان. با استفاده از این داده‌ها تصاویر بسیار مشابهی از این دو سامانه تولید کردیم و سپس برای تعیین این‌که آیا واقعا شباهت‌هایی میان دو شبکه (عصبی و کیهانی) وجود دارد تحلیل‌هایی کمی و عینی را روی این تصاویر انجام دادیم. هرچند این اطلاعات را از چندسال قبل گردآوری کرده بودیم اما هرگز برای بازنگری ارائه نکرده بودیم. سرانجام بیش از 10 ماه قبل تصمیم گرفتیم تحلیل‌هایمان را برای ارائه به نشریه‌ای علمی آماده کنیم که پذیرفته شد و اکنون نتیجه این پژوهش منتشر شده است.
از شباهت‌هایی حرف زدید که بین شبکه کیهانی (Cosmic Web) و سلسله اعصاب وجود دارد. این شباهت‌ها چه هستند؟
اولین شباهت میان این دو سامانه درواقع شباهت‌های دیداری و ظاهری میان آنها است. پیش‌از پژوهش ما هم در اخترفیزیک و هم در عصب‌شناسی ساختار سه‌بعدی دو شبکه عصبی و کیهانی براساس منطق شبکه‌ها الگوسازی شده بود. در این الگوهای سه‌بعدی همانند هر ساختار شبکه‌ای دیگری ما متوجه گره‌هایی شدیم. درمورد شبکه کیهانی این گره‌ها کهکشان‌ها و در مورد مغز انسان، اعصاب هستند. به‌علاوه در هر دو شبکه، رشته‌هایی وجود دارد که این گره‌ها را به‌هم متصل می‌کند. می‌دانیم که در شبکه کیهانی، رشته کهکشان‌ها وجود دارد که از بزرگ‌ترین ساختارهای کیهانی شناخته‌شده در عالم به‌شمار می‌رود و می‌دانیم در شبکه اعصاب هم رشته‌هایی وجود دارد که به آنها دِندریت‌ها (دارینه‌ها) می‌گویند که مسؤولیت انتقال پیام‌های میان سلول‌های عصبی را به‌عهده دارند. می‌دانیم در شبکه کیهانی، از طریق رشته‌ها جریانی از ماده با سرعت صدها کیلومتر بر ثانیه در خلأ بزرگی به‌سمت کهکشان‌های پیرامون منتقل می‌شود. وضعیت مشابهی درمورد مغز انسان هم وجود دارد. با این‌تفاوت که این فضای بزرگ خلأ پر از آب است که اطلاعات را به‌صورت سیگنال‌های الکتریکی و شیمیایی به اعصاب منتقل می‌کند. بنابراین، شباهت دیگری هم میان مغز و شبکه کیهانی وجود دارد. به‌طوری‌که، حدود 70درصد هر دو از جزئی تشکیل شده که به‌روشی منفعل یا اثرناپذیر رفتار می‌کند: در شبکه کیهانی، انرژی تاریک (3/68 درصد) و در مغز آب (73 درصد).
از این شباهت‌ها چه نتیجه‌ای می‌توان گرفت؟
ما این دو سامانه را به‌عنوان دو شبکه مختلف، به‌‌گونه‌ای متفاوت از هم الگوسازی کردیم که برای مثال بتواند به پرسش‌هایی از این دست پاسخ دهد: چه تعداد رشته در این دو شبکه گره‌ها را به‌هم متصل می‌کنند؟ این رشته‌ها به‌صورت تصادفی همه‌جا هستند یا رشته‌هایی که پیرامون گره‌ها را احاطه کرده‌اند بیشتر از نقاط دیگر شبکه هستند و به‌روشی متمرکز آنجا حضور دارند و نقش بسیار بنیادینی ایفا می‌کنند؟ آیا این شبکه‌ها نسخه‌هایی از همدیگر هستند؟ تمام تحلیل‌هایی که برای یافتن پاسخ‌هایی برای این سوال‌ها انجام دادیم ما را به پارامترهایی عددی رساندند که براساس آنها می‌توانیم تصمیم بگیریم آیا یک شبکه کمابیش متمرکز و کمابیش پیچیده‌تر از دیگری است یا خیر. مشاهده کردیم این شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای بسیار نویدبخش هستند. به‌طوری‌که با نگاهی به پارامترهای عددی می‌توان فهمید شباهت‌های بسیاری بین آنها وجود دارد. این شباهت‌ها پیش‌از این در دیگر ساختارهای طبیعت هم دیده شده است؛ از آن‌جمله می‌توان به ریشه درختان، تلاطم در مایعات و توزیع نوسانات چگالی در ابرها اشاره کرد. البته شباهت میان شبکه کیهانی و مغز انسان به این معنی نیست که براساس قوانین یکسانی تکامل می‌یابند؛ بلکه قوانین فیزیکی که باعث تکامل شبکه کیهانی و شبکه اعصاب می‌شود کاملا باهم تفاوت دارند. درمورد کهکشان‌ها، گرانش و درمورد نورون‌ها فرآیندهای شیمیایی و الکتریکی را می‌بینیم و در این‌خصوص اطمینان کامل داریم. اما معتقدیم شاید این دو شبکه و دیگر شبکه‌های پیچیده در طبیعت که به بررسی آنها نیاز است برپایه منطق‌های مشابهی سازمان‌دهی می‌شوند. برای‌مثال، دو روش وجود دارد که براساس آنها انرژی، اطلاعات را به بخش‌های مختلف شبکه به شیوه‌ای مؤثر جریان می‌دهد. روش اول در شبکه‌هایی است که کاملا تصادفی‌اند و اتصال‌های اندکی دارند. در این شبکه‌های تصادفی و غیرپیچیده، انتقال اطلاعات از نقطه‌ای به نقطه دیگر به صرف زمان و انرژی بیشتری نیاز دارد. روش دوم در شبکه‌های پیچیده‌ای است که در آنها انرژی لازم برای انتقال اطلاعات به‌روشی بسیار موثرتر و با بازده بالاتر هزینه می‌شود. به‌همین‌علت، نتیجه پژوهش ما می‌تواند نشان دهد منطق‌های یکسانی باعث تکامل شبکه‌های پیچیده می‌شود؛ حال این شبکه می‌خواهد شبکه کیهانی باشد یا مغز انسان.
با این‌تفاوت که این دو شبکه یکی در مقیاس میکروسکوپی و دیگری در مقیاس ماکروسکوپی است؟
بله. بین این دو مقیاس بیش‌از 27 مرتبه بزرگی وجود دارد و این یعنی شبکه کیهانی 10 به توان 27 مرتبه بزرگ‌تر از مغز انسان است!
از شباهت‌های میان این دو شبکه گفتید، تفاوت‌های بین آنها چیست؟
اگر به معماری این دو شبکه نگاه کنیم متوجه می‌شویم از منظر ریاضی تفاوت چندانی میان آنها وجود ندارد. اما اگر از منظر سرعت تکامل به آنها نگاه کنیم می‌توانیم تفاوت‌هایشان را ببینیم. زیرا می‌دانیم شبکه کیهانی بیش‌از 13میلیارد سال است که کمابیش به همین شکل باقی‌مانده و رشته‌ها تقریبا همواره وجود داشته‌اند و ماده بین آنها جابه‌جا شده است. بعضی وقت‌ها اتصال‌های جدیدی میان دو کهکشان شکل گرفته است. اما کل آن طی فرآیند به‌شدت آهسته‌ای رخ داده است. با نگاه به شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای در می‌یابیم درمدت 13/7میلیارد سال حیات عالم، شبکه کیهانی تکامل بسیار اندکی داشته است. این‌درحالی است که در مغز انسان که نسبت به شبکه کیهانی سامانه بسیار کوچک‌تری است، اتصال‌ها با سرعت بسیار بالایی قوی و ضعیف می‌شوند، بنابراین، معماری آن هرچندوقت یک‌بار تغییر می‌کند. احتمالا شیوه سازمان‌دهی در شبکه اعصاب برای انتقال اطلاعات هم تغییر می‌یابد و با این تغییر، خاطرات و حافظه ما هم تغییر می‌کند. در واقع، مغز شبکه‌ای است که به‌طور مداوم درحال تکامل است. زیرا برعکس شبکه کیهانی که سامانه عظیمی است، مغز سامانه بسیار کوچکی است. ازاین‌رو، تخمین دقیق سرعت پردازش اطلاعات در آن بسیار دشوار است. اما می‌توان گفت حدود 10 به‌توان 17 برابر سریع‌تر از سرعت پردازش اطلاعات در شبکه کیهانی است.
به‌عنوان آخرین سوال، در این پژوهش از چه شیوه‌ای برای تحلیل داده‌ها استفاده کردید؟
برای هر دو سامانه، چگالی طیفی توان را محاسبه کردیم که در کیهان‌شناسی شیوه‌ای استاندارد برای مطالعه توزیع فضایی کهکشان‌هاست. نتایج این محاسبات نشان داد توزیع نوسانات در شبکه عصبی مخچه شبیه همان روند توزیع ماده در شبکه کیهانی است. با این تفاوت که در مقیاس یک میکرومتر تا 0/1 میلی‌متر است. اما در شبکه کیهانی، توزیع ماده در مقیاس پنج میلیون سال نوری تا 500 میلیون سال نوری انجام می‌شود.
در واقع، این موضوع که مغز انسان و شبکه کیهانی بسیار به‌هم شبیه هستند را می‌توانید از سال‌ها قبل در اینترنت بیابید و داستان‌ها و تصاویری درباره آن پیدا کنید. بنابراین، از مسأله جدیدی حرف نمی‌زنیم. هرچند همواره این کنجکاوی وجود داشت که این موضوع از منظر عینی، علمی و کَمّی هم بررسی شود. اما این‌که چرا من و پروفسور فِلِتی تصمیم به انجام این پژوهش گرفتیم به دوستی دیرین ما بازمی‌گردد. ما در شهر کوچکی در شمال ونیز از دبستان تا دبیرستان همکلاسی بودیم و همدیگر را بیشتر از 30 سال است که می‌شناسیم. البته هر دو سال‌هاست دیگر در آن شهر کوچک زندگی نمی‌کنیم و قبل‌از همه‌گیری کووید-19، اوقاتی که برای تعطیلات و دیدن والدین‌مان به آن شهر کوچک بازمی‌گشتیم بعضی وقت‌ها برای احوال‌پرسی و نوشیدن قهوه همدیگر را می‌دیدیم. طی این ملاقات‌ها هریک از ما از فعالیت‌های علمی‌اش حرف می‌زد تا این‌که به‌این نتیجه رسیدیم که برای یافتن پاسخی برای این پرسش که آیا واقعا میان مغز انسان و شبکه کیهانی شباهت‌هایی وجود دارد داده‌هایی در اختیار داریم که می‌توانیم از آنها استفاده کنیم. برای مثال، داده‌هایی که من در اختیار داشتم شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای تکامل عالم بود و داده‌های او، اسلایدهای آزمایشگاهی از مغز انسان. با استفاده از این داده‌ها تصاویر بسیار مشابهی از این دو سامانه تولید کردیم و سپس برای تعیین این‌که آیا واقعا شباهت‌هایی میان دو شبکه (عصبی و کیهانی) وجود دارد تحلیل‌هایی کمی و عینی را روی این تصاویر انجام دادیم. هرچند این اطلاعات را از چندسال قبل گردآوری کرده بودیم اما هرگز برای بازنگری ارائه نکرده بودیم. سرانجام بیش از 10 ماه قبل تصمیم گرفتیم تحلیل‌هایمان را برای ارائه به نشریه‌ای علمی آماده کنیم که پذیرفته شد و اکنون نتیجه این پژوهش منتشر شده است.
از شباهت‌هایی حرف زدید که بین شبکه کیهانی (Cosmic Web) و سلسله اعصاب وجود دارد. این شباهت‌ها چه هستند؟
اولین شباهت میان این دو سامانه درواقع شباهت‌های دیداری و ظاهری میان آنها است. پیش‌از پژوهش ما هم در اخترفیزیک و هم در عصب‌شناسی ساختار سه‌بعدی دو شبکه عصبی و کیهانی براساس منطق شبکه‌ها الگوسازی شده بود. در این الگوهای سه‌بعدی همانند هر ساختار شبکه‌ای دیگری ما متوجه گره‌هایی شدیم. درمورد شبکه کیهانی این گره‌ها کهکشان‌ها و در مورد مغز انسان، اعصاب هستند. به‌علاوه در هر دو شبکه، رشته‌هایی وجود دارد که این گره‌ها را به‌هم متصل می‌کند. می‌دانیم که در شبکه کیهانی، رشته کهکشان‌ها وجود دارد که از بزرگ‌ترین ساختارهای کیهانی شناخته‌شده در عالم به‌شمار می‌رود و می‌دانیم در شبکه اعصاب هم رشته‌هایی وجود دارد که به آنها دِندریت‌ها (دارینه‌ها) می‌گویند که مسؤولیت انتقال پیام‌های میان سلول‌های عصبی را به‌عهده دارند. می‌دانیم در شبکه کیهانی، از طریق رشته‌ها جریانی از ماده با سرعت صدها کیلومتر بر ثانیه در خلأ بزرگی به‌سمت کهکشان‌های پیرامون منتقل می‌شود. وضعیت مشابهی درمورد مغز انسان هم وجود دارد. با این‌تفاوت که این فضای بزرگ خلأ پر از آب است که اطلاعات را به‌صورت سیگنال‌های الکتریکی و شیمیایی به اعصاب منتقل می‌کند. بنابراین، شباهت دیگری هم میان مغز و شبکه کیهانی وجود دارد. به‌طوری‌که، حدود 70درصد هر دو از جزئی تشکیل شده که به‌روشی منفعل یا اثرناپذیر رفتار می‌کند: در شبکه کیهانی، انرژی تاریک (3/68 درصد) و در مغز آب (73 درصد).
از این شباهت‌ها چه نتیجه‌ای می‌توان گرفت؟
ما این دو سامانه را به‌عنوان دو شبکه مختلف، به‌‌گونه‌ای متفاوت از هم الگوسازی کردیم که برای مثال بتواند به پرسش‌هایی از این دست پاسخ دهد: چه تعداد رشته در این دو شبکه گره‌ها را به‌هم متصل می‌کنند؟ این رشته‌ها به‌صورت تصادفی همه‌جا هستند یا رشته‌هایی که پیرامون گره‌ها را احاطه کرده‌اند بیشتر از نقاط دیگر شبکه هستند و به‌روشی متمرکز آنجا حضور دارند و نقش بسیار بنیادینی ایفا می‌کنند؟ آیا این شبکه‌ها نسخه‌هایی از همدیگر هستند؟ تمام تحلیل‌هایی که برای یافتن پاسخ‌هایی برای این سوال‌ها انجام دادیم ما را به پارامترهایی عددی رساندند که براساس آنها می‌توانیم تصمیم بگیریم آیا یک شبکه کمابیش متمرکز و کمابیش پیچیده‌تر از دیگری است یا خیر. مشاهده کردیم این شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای بسیار نویدبخش هستند. به‌طوری‌که با نگاهی به پارامترهای عددی می‌توان فهمید شباهت‌های بسیاری بین آنها وجود دارد. این شباهت‌ها پیش‌از این در دیگر ساختارهای طبیعت هم دیده شده است؛ از آن‌جمله می‌توان به ریشه درختان، تلاطم در مایعات و توزیع نوسانات چگالی در ابرها اشاره کرد. البته شباهت میان شبکه کیهانی و مغز انسان به این معنی نیست که براساس قوانین یکسانی تکامل می‌یابند؛ بلکه قوانین فیزیکی که باعث تکامل شبکه کیهانی و شبکه اعصاب می‌شود کاملا باهم تفاوت دارند. درمورد کهکشان‌ها، گرانش و درمورد نورون‌ها فرآیندهای شیمیایی و الکتریکی را می‌بینیم و در این‌خصوص اطمینان کامل داریم. اما معتقدیم شاید این دو شبکه و دیگر شبکه‌های پیچیده در طبیعت که به بررسی آنها نیاز است برپایه منطق‌های مشابهی سازمان‌دهی می‌شوند. برای‌مثال، دو روش وجود دارد که براساس آنها انرژی، اطلاعات را به بخش‌های مختلف شبکه به شیوه‌ای مؤثر جریان می‌دهد. روش اول در شبکه‌هایی است که کاملا تصادفی‌اند و اتصال‌های اندکی دارند. در این شبکه‌های تصادفی و غیرپیچیده، انتقال اطلاعات از نقطه‌ای به نقطه دیگر به صرف زمان و انرژی بیشتری نیاز دارد. روش دوم در شبکه‌های پیچیده‌ای است که در آنها انرژی لازم برای انتقال اطلاعات به‌روشی بسیار موثرتر و با بازده بالاتر هزینه می‌شود. به‌همین‌علت، نتیجه پژوهش ما می‌تواند نشان دهد منطق‌های یکسانی باعث تکامل شبکه‌های پیچیده می‌شود؛ حال این شبکه می‌خواهد شبکه کیهانی باشد یا مغز انسان.
با این‌تفاوت که این دو شبکه یکی در مقیاس میکروسکوپی و دیگری در مقیاس ماکروسکوپی است؟
بله. بین این دو مقیاس بیش‌از 27 مرتبه بزرگی وجود دارد و این یعنی شبکه کیهانی 10 به توان 27 مرتبه بزرگ‌تر از مغز انسان است!
از شباهت‌های میان این دو شبکه گفتید، تفاوت‌های بین آنها چیست؟
اگر به معماری این دو شبکه نگاه کنیم متوجه می‌شویم از منظر ریاضی تفاوت چندانی میان آنها وجود ندارد. اما اگر از منظر سرعت تکامل به آنها نگاه کنیم می‌توانیم تفاوت‌هایشان را ببینیم. زیرا می‌دانیم شبکه کیهانی بیش‌از 13میلیارد سال است که کمابیش به همین شکل باقی‌مانده و رشته‌ها تقریبا همواره وجود داشته‌اند و ماده بین آنها جابه‌جا شده است. بعضی وقت‌ها اتصال‌های جدیدی میان دو کهکشان شکل گرفته است. اما کل آن طی فرآیند به‌شدت آهسته‌ای رخ داده است. با نگاه به شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای در می‌یابیم درمدت 13/7میلیارد سال حیات عالم، شبکه کیهانی تکامل بسیار اندکی داشته است. این‌درحالی است که در مغز انسان که نسبت به شبکه کیهانی سامانه بسیار کوچک‌تری است، اتصال‌ها با سرعت بسیار بالایی قوی و ضعیف می‌شوند، بنابراین، معماری آن هرچندوقت یک‌بار تغییر می‌کند. احتمالا شیوه سازمان‌دهی در شبکه اعصاب برای انتقال اطلاعات هم تغییر می‌یابد و با این تغییر، خاطرات و حافظه ما هم تغییر می‌کند. در واقع، مغز شبکه‌ای است که به‌طور مداوم درحال تکامل است. زیرا برعکس شبکه کیهانی که سامانه عظیمی است، مغز سامانه بسیار کوچکی است. ازاین‌رو، تخمین دقیق سرعت پردازش اطلاعات در آن بسیار دشوار است. اما می‌توان گفت حدود 10 به‌توان 17 برابر سریع‌تر از سرعت پردازش اطلاعات در شبکه کیهانی است.
به‌عنوان آخرین سوال، در این پژوهش از چه شیوه‌ای برای تحلیل داده‌ها استفاده کردید؟
برای هر دو سامانه، چگالی طیفی توان را محاسبه کردیم که در کیهان‌شناسی شیوه‌ای استاندارد برای مطالعه توزیع فضایی کهکشان‌هاست. نتایج این محاسبات نشان داد توزیع نوسانات در شبکه عصبی مخچه شبیه همان روند توزیع ماده در شبکه کیهانی است. با این تفاوت که در مقیاس یک میکرومتر تا 0/1 میلی‌متر است. اما در شبکه کیهانی، توزیع ماده در مقیاس پنج میلیون سال نوری تا 500 میلیون سال نوری انجام می‌شود.
