Le galassie e la rete neurale

In un lato ci sono delle enormi strutture che attraversano lo spazio, collegando le zone più dense dell’universo e formando la base cosmica in cui nascono galassie, stelle e pianeti nel corso di miliardi di anni. Dall’altro lato, ci sono delle reti di filamenti neuronali che costituiscono il cervello umano, con la capacità di ricevere, elaborare e trasmettere impulsi nervosi per facilitare le complesse funzioni cognitive della mente.

A prima vista, l’organizzazione del cosmo e quella delle reti neuronali appaiono estremamente simili. Ma sono veramente così? Questa domanda ha dato vita a una collaborazione insolita tra Franco Vazza, astrofisico dell’Università di Bologna affiliato all’Istituto di radioastronomia dell’Inaf e Alberto Feletti, neurochirurgo dell’Università di Verona. I due ricercatori hanno cercato metodi omogenei per analizzare in modo quantitativo, sia la distribuzione su grande scala della materia nell’universo – il cosiddetto cosmic web – che la struttura della corteccia cerebrale e cerebellare.

I risultati dello studio, pubblicati sulla rivista Frontiers in Physics, dimostrano come l’organizzazione dei due sistemi presenti effettivamente delle forti somiglianze strutturali, nonostante l’enorme differenza tra le scale coinvolte, di oltre 27 ordini di grandezza. I due autori presenteranno questo lavoro al pubblico venerdì 27 novembre con un seminario in diretta online nell’ambito della Notte Europea dei Ricercatori.

Abbiamo parlato con uno dei due autori, Franco Vazza, un esperto di simulazioni cosmologiche per lo studio della turbolenza e dei campi magnetici nell’universo. Come è nata questa collaborazione tra un astrofisico e un neurochirurgo?

“L’incontro è avvenuto sui banchi di scuola. Eravamo compagni di classe alle elementari a Vittorio Veneto, in provincia di Treviso, ed essendo una cittadina piuttosto piccola abbiamo continuato insieme anche durante le medie e il liceo. Poi abbiamo preso strade completamente diverse: io ho deciso di studiare astrofisica mentre lui si è dedicato alla medicina e alle neuroscienze. Vivendo entrambi fuori dalla città, ci incontravamo solamente quando tornavamo a casa durante le vacanze o altre occasioni. Condividendo interessi simili abbiamo parlato spesso delle sovrapposizioni tra i nostri campi di studio.

Nella letteratura non scientifica si sente spesso che la rete cosmica e quella neuronale sono simili ma queste erano informazioni non quantificate. Ci siamo chiesti se avessimo gli strumenti per verificare concretamente l’esistenza o meno di queste somiglianze. Abbiamo quindi cominciato a collaborare due o tre anni fa in modo informale al principio. Più tardi abbiamo scritto un articolo divulgativo per la rivista Nautilus in inglese e Le Stelle in italiano. Infine abbiamo deciso di fare una valida ricerca peer-reviewed”.

Sappiamo che i risultati mostrano delle similitudini tra i due sistemi ma quali sono le principali differenze?

“L’analisi delle due reti ha dimostrato che entrambe non sono strutture casuali ma hanno una loro organizzazione precisa. Dalle statistiche emerge che questi due sistemi presentano notevoli somiglianze quando li consideriamo in una precisa fascia di scala spaziale. Tuttavia ciò cambia quando valutiamo la loro funzione rispettiva. La rete cosmica organizza il flusso di materia ed energia mentre nella rete neuronale organizza il flusso energetico che ha uno scambio informativo all’interno; da qui è possibile quantificare la memoria delle due reti.

Il Cosmic Web può contenere circa 4 petabyte e mezzo che si traduce nel caso in cui ogni galassia e la sua posizione in 3D vengano utilizzate per registrare un’informazione”.

La capacità di memoria del cervello umano è stata stimata dagli esperti del settore intorno ai 2 petabyte, lo stesso ordine di grandezza della quantità di informazioni contenute nella rete cosmica. In altre parole, se il cervello umano fosse usato come una macchina, potrebbe memorizzare tutte le posizioni di tutte le galassie osservabili nell’universo. Tuttavia, mentre il cervello umano può processare questa informazione in frazioni di secondo grazie alla comunicazione veloce dei segnali elettrici tra i neuroni, la rete cosmica ha una connettività molto più statica a causa della lenta propagazione della luce e della gravità sulle distanze cosmologiche.

Questo studio interdisciplinare tra astrofisica e neuroscienze è stato difficile perché ha richiesto un approccio omogeneo che potesse essere compreso da entrambe le comunità scientifiche. L’articolo è stato pubblicato su Frontiers in Physics perché era l’unica rivista con una sezione interdisciplinare che poteva garantire referee competenti in entrambi i campi.

Il messaggio principale che gli autori vogliono trasmettere è che esiste una vasta letteratura sull’analisi delle reti complesse in diversi ambienti scientifici che potrebbero essere condivisi e utilizzati per trarre profitto dalle due comunità scientifiche. Inoltre, questo studio ha permesso agli autori di apprendere nuove tecniche per l’analisi della connettività nelle loro simulazioni cosmologiche e di scoprire nuovi linguaggi teorici per descrivere fenomeni cosmo-logici basati sulle reti e sui nodi. Infine, gli autori ritengono che questo studio sia solo il primo passo verso ulteriori approfondimenti sulla similarità tra le reti complesse in natura, anche se generate da leggi fisiche completamente diverse.

Confrontare le reti naturali con il cervello potrebbe sembrare un argomento spinoso, ma nonostante i meccanismi e le componenti di materia siano differenti, è possibile che entrambi si basino su una logica fondamentale simile. Ad esempio, la fisica che descrive la turbolenza in un fluido è identica sia quando si agita il cucchiaino in una tazza di caffè che quando il plasma all’interno di due ammassi di galassie si mescola. In entrambi i casi, vi sono interazioni e componenti diverse, ma la logica che guida l’evoluzione del fluido e come trasmette l’energia da una scala all’altra è la stessa. L’analisi delle reti sia naturali che umane potrebbe evolvere con logiche simili che possono essere studiate tramite l’approccio riduzionista possibile. Questo può stimolare il settore dell’analisi delle reti, che sta già registrando una forte espansione. Tuttavia, non dobbiamo confondere le reti naturali con elementi pensanti o come parte del nostro cervello; sono solo entità che evolvono con logiche comuni, basate su leggi fisiche diverse.