Warum sich Gehirn und Kosmos strukturell ähnlich sind

Das menschliche Gehirn hat ein Volumen von gut einem Liter (Mann: 1,27 l, Frau: 1,13 l), also einem Kubikdezimeter oder 0,001 Kubikmeter. Das Universum hingegen besitzt ein Volumen von 2,3 Millionen Milliarden Trillionen Kubiklichtjahren. Ganz offensichtlich ein riesiger Unterschied, der bei über 30 Größenordnungen liegt. Aber trotzdem haben beide Strukturen, das Netz von Galaxien, das das Universum durchzieht, und das neuronale Netzwerk im Gehirn, überraschende Gemeinsamkeiten, wie Franco Vazza (Astrophysiker an der Universität Bologna) und Alberto Feletti (Neurochirurg an der Universität Verona) in einer in Frontiers of Physics veröffentlichten Arbeit feststellen.

Das menschliche Gehirn arbeitet mit Hilfe eines ausgedehnten neuronalen Netzwerks, von dem man annimmt, dass es etwa 69 Milliarden Neuronen enthält. Auf der anderen Seite kann das beobachtbare Universum auf ein kosmisches Netz von mindestens 100 Milliarden Galaxien zählen. In beiden Systemen setzen sich nur 30 Prozent der Masse aus Galaxien und Neuronen zusammen. Ebenfalls in beiden Systemen ordnen sich die Elemente, Neuronen bzw. Galaxien, in langen Fäden oder Knoten zwischen den Fäden an. Schließlich bestehen in beiden Systemen 70 Prozent der Massen- und Energieverteilung aus Komponenten, die eine scheinbar passive Rolle spielen: Wasser hat diese Rolle im Gehirn, Dunkle Energie hingegen im beobachtbaren Universum.

Ausgehend von den gemeinsamen Merkmalen der beiden Systeme verglichen die Forscher eine Simulation des Netzes von Galaxien mit Abschnitten der Großhirnrinde und des Kleinhirns. Ziel war es, zu beobachten, wie sich die Materiefluktuationen über so unterschiedliche Skalen streuen. „Wir berechneten die spektrale Dichte beider Systeme. Dies ist eine in der Kosmologie häufig angewandte Technik zur Untersuchung der räumlichen Verteilung von Galaxien“, erklärt Franco Vazza. „Unsere Analyse zeigte, dass die Verteilung der Fluktuation innerhalb des neuronalen Netzes des Kleinhirns auf einer Skala von 1 Mikrometer bis 0,1 Millimeter der gleichen Progression der Materieverteilung wie das kosmische Netz folgt, aber natürlich auf einer größeren Skala, die von 5 Millionen bis 500 Millionen Lichtjahren reicht.“

Die beiden Forscher berechneten auch einige Parameter, die sowohl das neuronale Netz als auch das kosmische Netz charakterisieren: die durchschnittliche Anzahl von Verbindungen in jedem Knoten und die Tendenz, mehrere Verbindungen in relevanten zentralen Knoten innerhalb des Netzes zu clustern.

„Wieder einmal haben strukturelle Parameter unerwartete Übereinstimmungsgrade identifiziert. Wahrscheinlich entwickelt sich die Konnektivität innerhalb der beiden Netzwerke nach ähnlichen physikalischen Prinzipien, trotz des auffallenden und offensichtlichen Unterschieds zwischen den physikalischen Kräften, die Galaxien und Neuronen regulieren“, fügt Alberto Feletti hinzu. „Diese beiden komplexen Netzwerke zeigen mehr Ähnlichkeiten als die, die zwischen dem kosmischen Netz und einer einzelnen Galaxie oder einem neuronalen Netzwerk und dem Inneren eines Neurons bestehen“.

Die ermutigenden Ergebnisse dieser Pilotstudie veranlassen die Forscher zu der Annahme, dass neue und effektivere Analysetechniken in beiden Bereichen, der Kosmologie und der Neurochirurgie, ein besseres Verständnis der zeitlichen Entwicklung der beiden Systemen zugrundeliegenden Dynamik ermöglichen könnten.

Links: Ausschnitt des Kleinhirns mit 40facher Vergrößerung, erhalten mit Elektronenmikroskopie (Dr. E. Zunarelli, Universitätsklinik Modena); rechts: Ausschnitt einer kosmologischen Simulation, mit einer Ausdehnung von 300 Millionen Lichtjahren (Vazza et al. 2019 A&A). (Bild: Universität Bologna)

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