과학자들은 인간 뇌의 신경 세포 네트워크를 은하의 우주 웹(web)과 비교했고 놀라운 유사점을 발견했다.

‘프론티어즈 인 피직스(Frontiers in Physics)’에 발표 된 논문에서 프랑코 바자(Franco Vazza) 볼로냐 대학(University of Bologna) 천체 물리학자와 알베르토 페레티(Alberto Feletti) 베로나 대학의 신경외과 의사는 자연에서 가장 도전적이고 복잡한 두 시스템인 인간 뇌의 신경 세포 네트워크(Neuronal Network)와 은하 수준 우주 웹(Cosmic Web) 간의 유사점을 조사했다.

네트워크 사이의 규모의 상당한 차이(크기가 27 자릿수 이상)에도 불구하고 우주론과 뇌 신경 외과적 접근을 비교한 정량적 분석은 다양한 물리적 프로세스가 비슷한 수준의 복잡성과 자기-조직화를 특징으로 하는 구조를 구축할 수 있음을 시사했다.

인간의 뇌는 약 800억~1000억 개의 신경세포(뉴런)가 100조 개 이상의 신경망(시냅스)으로 병렬 연결돼 있다고 알려졌다. 반면에 관측 가능한 우주는 적어도 1000억 개의 은하로 구성된 우주 웹으로 구성된다. 두 시스템 내에서 질량의 30%만이 은하와 뉴런으로 이뤄졌다. 두 시스템 내에서 은하와 뉴런은 긴 필라멘트 또는 필라멘트 사이의 노드로 배열된다.

마지막으로, 두 시스템에서 질량 또는 에너지 분포의 70%는 명백하게 수동적 역할을 하는 구성 요소로 구성된다. 즉, 뇌의 물과 관측 가능한 우주의 암흑 에너지다. 두 시스템의 공유된 특징에서 시작해 연구자들은 은하 네트워크의 시뮬레이션을 대뇌 피질과 소뇌 부분과 비교했다. 목표는 물질 변동이 이러한 다양한 규모에 어떻게 흩어져 있는지 관찰하는 것이었다.

프랑코 바자는 “우리는 두 시스템의 스펙트럼 밀도를 계산했다. 이것은 은하의 공간 분포를 연구하기 위해 우주론에서 자주 사용되는 기술이다. 우리의 분석에 따르면 1 마이크로 미터에서 0.1 밀리미터까지의 규모로 소뇌 신경망 내의 변동 분포는 우주 웹에서 물질 분포의 동일한 진행 과정을 따르지만 물론 5백만에서 5 억 광년에 이르는 더 큰 규모로 진행된다”고 말했다.

두 연구원은 또한 신경망과 우주 웹을 특성화하는 몇 가지 매개 변수를 계산했다. 각 노드의 평균 연결 수와 네트워크 내의 관련 중앙 노드에서 여러 연결을 클러스터링하는 경향이 있었다.

알베르토 페레티는 “다시 한번 구조적 매개 변수가 예상치 못한 일치 수준을 확인했다. 아마도 두 네트워크 내의 연결성은 은하와 뉴런을 조절하는 물리적 힘 사이의 놀랍고 명백한 차이에도 불구하고 유사한 물리적 원리에 따라 진화할 것이다. 이 두 개의 복잡한 네트워크는 우주 웹과 은하 또는 뉴런 네트워크와 뉴런 자체 사이에 공유되는 것보다 더 많은 유사성을 보여준다”고 설명했다.

연구자들은 이 실험적 연구 결과가 두 분야, 우주론 및 신경 외과 분야에서 새롭고 효과적인 분석 기술이 이 두 시스템의 시간적 진화의 근간이 되는 경로 역학(routed dynamics)을 더 잘 이해할 수 있도록 할 것이라고 생각한다.

*F. Vazza et al, The Quantitative Comparison Between the Neuronal Network and the Cosmic Web, Frontiers in Physics (2020). DOI: 10.3389/fphy.2020.525731