Cervello e universo a confronto

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di Roberto Dominici

Paragonare il cervello e l’universo può sembrare azzardato dato che la rete delle galassie e quella delle cellule neuronali nel cervello umano hanno una differenza di scala superiore a 27 ordini di grandezza (1027). 

Eppure, è proprio quello che è stato analizzato in una recente ricerca italiana condotta dall’astrofisico dell’Università di Bologna Franco Vazza e il neurochirurgo dell’Università di Verona Alberto Feletti, pubblicata su “Frontiers of Physics”. Sono state studiate le somiglianze tra due dei sistemi più impegnativi e complessi esistenti in Natura: la rete di cellule neuronali nel cervello umano e la rete cosmica di galassie, esplorandone, con un approccio quantitativo, le proprietà strutturali e la capacità di memoria.

Lo studio ha dimostrato che le due reti sono più simili di quanto si pensi, e che le loro connessioni si evolvono con principi fisici molto simili. Il termine rete neurale viene utilizzato come riferimento a una rete biologica o a un circuito formato da neuroni. Sono spesso identificati come gruppi di neuroni che svolgono una determinata funzione fisiologica che viene studiata in laboratorio. Semplificazioni estreme delle reti neurali biologiche, hanno ispirato nell’informatica le cosiddette reti neurali artificiali (ANN).

Una rete neurale descrive una popolazione di neuroni fisicamente interconnessi tra loro, o un gruppo di neuroni cui diversi fattori di produzione o di segnalazione definiscono un circuito riconoscibile. L’interfaccia attraverso la quale essi interagiscono con i neuroni circostanti è costituita, da diversi dendriti (ingresso o input della connessione), che sono collegati tramite sinapsi ad altri neuroni, ed un assone (output della connessione). In un circuito neurale che è un ente funzionale di neuroni interconnessi, essi si influenzano a vicenda.

In molti organismi viventi pluricellulari sono presenti complesse organizzazioni di cellule nervose, con compiti di riconoscimento delle configurazioni assunte dall’ambiente esterno, memorizzazione e reazione agli stimoli provenienti dallo stesso. Il cervello umano rappresenta probabilmente il più mirabile frutto dell’evoluzione per le sue capacità di elaborare informazioni.

Al fine di compiere tali operazioni, le reti biologiche si servono di un numero imponente di semplici elementi computazionali (neuroni) fittamente interconnessi in modo da variare la loro configurazione in risposta agli stimoli esterni: in questo senso si può parlare di apprendimento ed i modelli artificiali cercano di catturare questo tratto distintivo della biologia. Il cervello umano funziona grazie a una rete di 70-100 miliardi di neuroni (1011).

L’universo osservabile conta su una rete cosmica di 100 miliardi di galassie. Al netto di questa differenza numerica, la distribuzione della materia segue princìpi fisici simili: in entrambi i sistemi, solo il 30% delle masse è composto da galassie e neuroni. In entrambi i sistemi, galassie e neuroni si dispongono in lunghi filamenti o nodi tra i filamenti. Infine, all’interno di entrambi i sistemi, il 70% della distribuzione di massa o energia è fatta da componenti che giocano un ruolo apparentemente passivo: l’acqua nel cervello e l’energia oscura nell’universo osservabile.

Una delle linee di frontiera di questa ricerca comparativa è la possibilità di misurare la capacità di memoria di entrambe le reti, un compito attualmente reso impegnativo dall’approccio molto diverso attualmente disponibile per misurare e monitorare il flusso di informazioni al loro interno. E ‘ interessante notare che possibili somiglianze esistono anche a questo riguardo.

La capacità di memoria totale del cervello umano è stata recentemente stimata utilizzando la microscopia elettronica per ricostruire la distribuzione 3D delle spine dendritiche e delle loro sinapsi e trovando che viene memorizzata una media di ∼ 4,7 bit di informazione per cellula neuronale. Questo dato estrapolato al numero medio totale di “contatti sinaptici” o nodi nella rete neuronale, produce ≈ 2 · 1016 bit, cioè circa 2,5 Petabyte come capacità di memoria del cervello umano (1 petabyte equivale a 10005 oppure 1015 cioè un 1 seguito da 15 zeri). Per la rete cosmica, si può utilizzare un’idea basata sulla teoria dell’informazione per quantificare la quantità di informazioni codificata dalla struttura tridimensionale della rete cosmica, che è stata stimata essere circa 3,5 · 1016 bit (cioè≈4,3 Petabyte di memoria) sono necessari per memorizzare le informazioni della struttura cosmica all’interno dell’intero universo osservabile.