{"id":9225,"date":"2020-12-09T22:35:50","date_gmt":"2020-12-09T21:35:50","guid":{"rendered":"https:\/\/cielipiemontesi.it\/?p=9225"},"modified":"2020-12-09T22:48:43","modified_gmt":"2020-12-09T21:48:43","slug":"coincidenze-cosmiche-dal-cervello-alluniverso","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/cielipiemontesi.it\/?p=9225","title":{"rendered":"Coincidenze cosmiche: dal cervello all\u2019universo"},"content":{"rendered":"\n

Un nuovo studio, nato dalla collaborazione tra un astrofisico e un neurochirurgo italiani e pubblicato sulla rivista Frontiers in Physics, mette a confronto due tra i pi\u00f9 enigmatici e complessi sistemi che esistano in natura \u2013 la rete delle galassie che compongono l\u2019universo e la rete dei neuroni all\u2019interno del cervello umano \u2013 analizzandone somiglianze e differenze in maniera quantitativa. Media Inaf ha intervistato uno dei due autori, Franco Vazza dell’Universit\u00e0 di Bologna<\/em><\/strong><\/p>\n\n\n\n

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Franco Vazza<\/strong>, professore associato presso il Dipartimento di fisica e astronomia<\/strong> dell\u2019Universit\u00e0 di Bologna<\/strong><\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Da una parte, enormi filamenti<\/a> che permeano gli spazi intergalattici<\/strong>, collegando le strutture pi\u00f9 dense dell\u2019universo e formando l\u2019infrastruttura cosmica<\/em> in cui nascono e si evolvono, nel corso di miliardi di anni, galassie, stelle e pianeti. Dall\u2019altra, le reti filamentose di neuroni<\/a> che costituiscono il cervello umano<\/strong>, in grado di ricevere, elaborare e trasmettere impulsi nervosi, e dare luogo alle complesse funzioni cognitive della mente.<\/p>\n\n\n\n

A prima vista, l\u2019organizzazione macroscopica del cosmo e quella microscopica delle reti neuronali appaiono sorprendentemente simili<\/em>. Ma lo sono davvero? Da questa domanda \u00e8 sorta un\u2019insolita collaborazione tra Franco Vazza<\/strong>, astrofisico dell\u2019Universit\u00e0 di Bologna<\/strong><\/a> e associato all\u2019Istituto di radioastronomia<\/em> dell\u2019Inaf, e Alberto Feletti<\/strong>, neurochirurgo presso l\u2019Universit\u00e0 di Verona<\/strong><\/a>. I due ricercatori hanno cercato metodi omogenei per analizzare, al contempo e in modo quantitativo, sia la distribuzione su grande scala<\/strong><\/a> della materia nell\u2019universo \u2013 il cosiddetto cosmic web<\/strong><\/em> \u2013 che la struttura della corteccia cerebrale<\/strong><\/a> e cerebellare<\/strong><\/a> (del cervello e del cervelletto, rispettivamente).<\/p>\n\n\n\n

I risultati dello studio<\/strong><\/a>, pubblicato sulla rivista Frontiers in Physics<\/em>, mostrano come l\u2019organizzazione dei due sistemi presenti effettivamente delle forti somiglianze strutturali nonostante l\u2019enorme differenza tra le scale coinvolte di oltre 27 ordini di grandezza<\/strong>. I due autori hanno presentato questo lavoro al pubblico venerd\u00ec 27 novembre con un seminario in diretta online<\/em> nell\u2019ambito della Notte Europea dei Ricercatori<\/strong><\/a>.<\/p>\n\n\n\n

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A sinistra: una sezione di cervelletto, con fattore di ingrandimento 40x, ottenuto con microscopia elettronica; a destra: una sezione di una simulazione cosmologica, con estensione 300 milioni di anni luce. Crediti: Dr. E. Zunarelli, Ospedale Universitario di Modena<\/strong> (sinistra); Vazza et al. 2019 A&A<\/strong> (destra)<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Ne parliamo con uno dei due autori, Franco Vazza<\/strong>, esperto di simulazioni cosmologiche per lo studio di turbolenza<\/a><\/strong> e\u00a0campi magnetici<\/a><\/strong> nell\u2019universo.<\/p>\n\n\n\n

Come \u00e8 nata questa collaborazione tra un astrofisico e un neurochirurgo?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abL\u2019incontro in realt\u00e0 \u00e8 nato sui banchi di scuola. Eravamo compagni di banco alle elementari a Vittorio Veneto, in provincia di Treviso, ed essendo una cittadina piuttosto piccola abbiamo proseguito insieme anche alle medie e al liceo. Poi abbiamo preso strade completamente diverse: io l\u2019astrofisica, lui la medicina e le neuroscienze<\/strong><\/a>. Vivendo entrambi fuori, ci si incontrava quando tornavamo per le vacanze, per esempio, e si parlava ogni tanto di sovrapposizioni tra i nostri campi di studio.<\/p>\n\n\n\n

Si sentiva spesso, nella letteratura non scientifica, che la rete cosmica<\/strong><\/a> e la rete neuronale<\/strong><\/a> sono simili, ma erano informazioni non quantificate, e quindi ci siamo chiesti se avessimo, noi, gli strumenti per provare a vedere, in maniera molto semplice, se ci sono somiglianze o no. Abbiamo cominciato due, tre anni fa, inizialmente nel tempo libero. Prima abbiamo scritto un articolo divulgativo per la rivista Nautilus<\/strong><\/em><\/a>, in inglese, e per Le Stelle<\/strong><\/em><\/a> in italiano, e adesso abbiamo deciso di fare un lavoro peer-reviewed<\/em>, passando attraverso il vaglio degli esperti\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

E dunque, sono davvero simili questi due sistemi?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abQuesto tipo di confronto comincia perch\u00e9 eravamo colpiti dalle somiglianze visive tra il cosmic web<\/em> e le sezioni del cervello umano ad una certa risoluzione<\/em>. A quel punto abbiamo provato a ottenere campioni nel modo pi\u00f9 omogeneo possibile \u2013 nel caso del cosmic web<\/em> usando delle simulazioni<\/em>, nel caso del cervello dei vetrini istologici<\/a>,<\/strong> che erano gi\u00e0 stati prodotti indipendentemente, per normali analisi di laboratorio, presso l\u2019Ospedale di Modena<\/strong><\/a> \u2013 e abbiamo utilizzato dei metodi, soprattutto presi dalla cosmologia, per analizzare se queste somiglianze visive erano rispecchiate da statistiche pi\u00f9 accurate.<\/p>\n\n\n\n

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Mappe del contrasto di densit\u00e0 per sezioni di cervelletto (prima riga)<\/strong>, della corteccia cerebrale (seconda riga)<\/strong> e della distribuzione di materia oscura nella struttura cosmica su grande scala (terza riga)<\/strong>, corrispondenti a diversi livelli di ingrandimento (4x a sinistra; 10x al centro; 40x a destra).<\/strong> Lo studio si \u00e8 concentrato principalmente sulle immagini della colonna di destra<\/strong>. Crediti: Vazza & Feletti, 2020<\/strong><\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Abbiamo trattato questi sistemi come se fossero semplicemente delle reti, senza guardare alle forze e meccanismi molto diversi che le producono. Nel caso del cosmic web<\/em> abbiamo a che fare solo con la gravit\u00e0<\/strong><\/a> e l\u2019espansione<\/strong><\/a> dello spazio-tempo<\/strong><\/a> sulle scale considerate <\/em>(il fatto che si formino le stelle \u00e8 del tutto irrilevante per l\u2019evoluzione della rete cosmica), mentre nel caso neuronale si tratta di processi biologici mediati da forze elettriche e chimiche<\/em>. Per\u00f2 se le guardiamo in maniera oggettiva, come se fossero delle reti e basta, troviamo delle somiglianze strutturali che, in una certa sovrapposizione di scale spaziali, sono molto robuste.<\/p>\n\n\n\n

Ovviamente, se guardiamo il cervello da fuori, o il cosmic web<\/em> da fuori, o al contrario se li guardiamo su scale molto piccole, le somiglianze si perdono. Ma quando li guardiamo su un grande range<\/em> di scale, che nel caso del cosmic web<\/em> va tra qualche centinaio di milioni di anni luce<\/strong><\/a> a qualche milione di anni luce<\/em>, e nel caso del cervello \u00e8 sotto i millimetri, e ci chiediamo come si confrontano queste due reti morfologicamente, vediamo che parametri quali il rapporto tra pieni e vuoti,<\/em> oppure il modo in cui i nodi della rete si interfacciano tra di loro,<\/em> quante connessioni ha in media ogni neurone o ogni galassia,<\/em> o ancora quanto spesso queste reti hanno degli hub<\/em> \u2013 ovvero i nodi dominanti che concentrano tutte le connessioni \u2013 hanno effettivamente delle somiglianze molto forti\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

Le somiglianze nell\u2019organizzazione di questi sistemi, peraltro entrambi dominati per circa il 70 per cento da una componente che in un certo senso si comporta in modo \u201cpassivo\u201d \u2013 l\u2019energia oscura<\/a> nel caso del <\/strong>cosmic web<\/strong><\/em>, e l\u2019acqua nel caso del cervello \u2013 sono davvero impressionanti. Come fate a essere sicuri per\u00f2 che questo non sia un effetto del metodo di analisi?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

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Nubi nottilucenti. Autore: Martin Koitm\u00e4e\/Wikipedia<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

\u00abOvviamente abbiamo cominciato ad analizzare questi due sistemi perch\u00e9 sono quelli con cui ci interfacciamo nel nostro lavoro, ma poi abbiamo spostato lo sguardo su altre reti che esistono in natura<\/em>. Ci chiedevamo se magari qualsiasi rete incontrata in natura, una volta misurata con questi stessi strumenti, potesse darci la la stessa identica risposta. Per\u00f2 non \u00e8 cos\u00ec. Abbiamo provato a usare delle immagini prese a campione di alberi<\/em>, di turbolenza nei fluidi,<\/em> un fenomeno che genera strutture ramificate vagamente simili, oppure della distribuzione di fluttuazioni di densit\u00e0 nelle nuvole<\/em>, che sono famosi casi in cui ci si aspetta una geometria di tipo frattale<\/strong><\/a>. Analizzandole con gli stessi strumenti, abbiamo trovato delle statistiche completamente differenti\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

Quali sono invece le differenze che avete trovato tra le reti cosmiche e neuronali?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abAttraverso l\u2019analisi delle reti<\/strong><\/a>, quindi studiando il peso che ha ogni nodo nella rete,<\/em> abbiamo visto che queste due reti non sono delle reti random,<\/em> e dal punto di vista strutturale sono molto simili quando le guardiamo in un certo range<\/em> di scale. Le differenze<\/em> invece cominciano quando ci chiediamo cosa fanno queste reti,<\/em> in base a quello che noi capiamo. Nel caso del cosmic web<\/strong><\/em>, la rete organizza il flusso di materia ed energia<\/em>; nel caso della rete neuronale<\/strong> organizza il flusso di energia<\/em>.
Dentro questi flussi c\u2019\u00e8 uno scambio di informazioni, e quindi possiamo quantificare quante informazioni le due reti possono codificare: la loro capacit\u00e0 di memoria<\/em>. Nell\u2019universo, per esempio, se usassimo ogni galassia e la sua posizione in 3D per registrare un\u2019informazione \u2013 questi sono altri lavori<\/strong><\/a> che ho fatto indipendentemente in passato \u2013 viene fuori che la quantit\u00e0 di informazioni che l\u2019intero cosmic web<\/em> osservabile pu\u00f2 contenere, parliamo di circa 45 miliardi di anni luce, \u00e8 di circa 4 petabyte<\/a> e mezzo<\/strong>.<\/p>\n\n\n\n

\u00c8 un\u2019estrapolazione davvero estrema, ma curiosamente dentro un fattore 2 questa \u00e8 la stessa capacit\u00e0 di memoria<\/strong> che \u00e8 stata stimata, con metodi completamente diversi da esperti del settore, per il cervello umano<\/strong>: circa 2 petabyte<\/strong>. In modo un po\u2019 poetico, potremmo dire che tutto il cervello umano<\/strong> \u2013 se lo usassimo come se fosse una macchina \u2013 potrebbe memorizzare tutte le posizioni di tutte le galassie dell\u2019universo osservabile<\/a>, o viceversa<\/strong>: se noi potessimo usare la rete cosmica per memorizzare informazioni, basterebbe per memorizzare la quantit\u00e0 di informazioni di un cervello umano. Non dieci, non infiniti, ma uno. Chiaramente l\u2019universo contiene tante cose \u2013 stelle, pianeti, e tutti i cervelli che sono dentro l\u2019universo \u2013 quindi la capacit\u00e0 di informazione di per s\u00e9 \u00e8 molto ma molto pi\u00f9 grande, ma in questo esempio trattiamo il cosmic web come se fosse un oggetto che esiste solo su questo range di scale, e ogni singola galassia come se fosse un singolo nodo della rete<\/em>.<\/p>\n\n\n\n

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La mappa dell\u2019universo ottenuta dalla survey Sdss<\/strong>. Ogni puntino rappresenta una galassia. Credit: Sdss<\/strong><\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Ammesso che questi due sistemi possano contenere la stessa quantit\u00e0 di informazioni circa, quello che cambia drasticamente \u00e8 che il cervello umano pu\u00f2 processare tutta questa informazione in tempi molto brevi<\/em> \u2013 frazioni di secondo. Non \u00e8 detto che il cervello lo faccia, ma potrebbe, perch\u00e9 i segnali nel cervello umano si propagano alla velocit\u00e0 con cui i segnali elettrici possono percorrere gli assoni<\/strong><\/a> e i dendriti<\/strong><\/a><\/em> (prolungamenti dei neuroni, che conducono i segnali verso altre cellule \u2013 n.d.r.<\/em>).<\/p>\n\n\n\n

Nel caso del cosmic web tutta questa informazione pu\u00f2 essere stata scambiata al massimo 2-3 volte dall\u2019inizio dell\u2019universo<\/strong><\/a> perch\u00e9 lo scambio di informazione \u00e8 vincolato al tempo impiegato dalla luce, o dalla gravit\u00e0, per propagarsi sulle distanze cosmiche<\/em>. Quindi anche se la quantit\u00e0 di memoria \u00e8 la stessa, uno dei due sistemi \u2013 il cervello \u2013 si evolve in maniera estremamente pi\u00f9 veloce, dove estremamente significa molti ordini di grandezza, mentre l\u2019informazione contenuta nella rete del cosmic web<\/em> \u2013 la posizione delle galassie \u2013 non si \u00e8 evoluta molto \u00e8 sempre all\u2019incirca la stessa dall\u2019inizio dei tempi. In una simulazione cosmologica, la posizione dei filamenti delle galassie rimane quasi inalterata sulla scala di miliardi di anni luce, poi le galassie al loro interno evolvono<\/strong><\/a>, ma la distribuzione tridimensionale dell\u2019universo resta sempre la stessa<\/em>, mentre la connettivit\u00e0 dei neuroni evolve su scale molto pi\u00f9 piccole\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

Qual \u00e8 stata la parte pi\u00f9 difficile nel mettere a confronto due sistemi e campi di studio cos\u00ec lontani?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abIn questo caso \u00e8 stata difficile la parte di peer review<\/strong><\/em><\/a> dell\u2019articolo. Le somiglianze vengono fuori quasi automaticamente, poi si tratta di convincere se stessi e i referee<\/em> esterni che, all\u2019interno delle assunzioni comunque forti che si fanno, queste sono effettivamente vere. Ci abbiamo messo circa dieci mesi, con una decina di referee report<\/em> a tre referee<\/em> diversi, perch\u00e9 \u00e8 proprio difficile trovare un modo di descrivere queste cose che vada bene sia per un cosmologo che per un neuroscienziato. Quindi la sfida \u00e8 stata trovare dei modi di presentare i dati in comune, trovare un linguaggio che non fosse troppo specialistico per entrambe le cose, cercare di mostrare che qualcosa che \u00e8 nuovo per una delle due discipline \u00e8 stato gi\u00e0 fatto e validato nell\u2019altra, o viceversa, convincere i referee<\/em> che, anche se esistono metodi pi\u00f9 sofisticati per studiare uno dei due sistemi, non possono essere applicati all\u2019altro.<\/p>\n\n\n\n

C\u2019\u00e8 anche una componente umana: noi non vogliamo a tutti i costi dire che i due sistemi sono uguali, ma vogliamo avere un approccio omogeneo che ci permetta di analizzarli entrambi. \u00c8 stato un processo lungo \u2013 peraltro in un periodo non banale, con l\u2019emergenza causata dalla pandemia, che per me ha rappresentato impegni familiari aggiuntivi, e soprattutto per il mio co-autore ha coinciso con il periodo di massimo lavoro e pressione sull\u2019Ospedale di Verona nel quale opera\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

L\u2019articolo \u00e8 stato pubblicato su Frontiers in Physics<\/em><\/a>, che non \u00e8 una delle riviste tipiche per pubblicazioni di astrofisica. Come l\u2019avete selezionata?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00ab\u00c8 la prima volta che usiamo questa rivista. Avevamo bisogno di una rivista \u201creferata\u201d con una sezione interdisciplinare, che potesse garantire dei referee<\/em> sia di astrofisica che di neuroscienze, che \u00e8 qualcosa che le riviste di astrofisica non fanno. Frontiers in Physics<\/em> era una delle poche a farlo, e hanno fatto un ottimo lavoro editoriale e di raccordo con i referee<\/em> anonimi\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

Qual \u00e8 il messaggio che volete trasmettere con questo lavoro alle due rispettive comunit\u00e0 scientifiche?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abPresi singolarmente, l\u2019articolo non dice niente di nuovo n\u00e9 per quanto riguarda il cosmic web<\/em> n\u00e9 il cervello umano. Anzi, abbiamo usato degli strumenti superficiali, perch\u00e9 l\u2019approccio \u00e8 stato trovare strumenti per analizzare in maniera omogenea entrambi i sistemi. Quello che speriamo di riuscire a comunicare \u00e8 che esiste una letteratura smisurata di analisi delle reti<\/em> che si fa in certi ambienti e in altri non si fa, che pu\u00f2 invece essere condivisa e dalla quale \u00e8 possibile trarre profitto\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

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Campo magnetico intergalattico<\/strong> prodotto da Franco Vazza e rielaborato da Vazza F., Br\u00fcggen M., Gheller C., Wang P.<\/strong>, 2014, Mnras<\/strong>, 445, 3706-3722<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Lei ha imparato qualcosa di nuovo grazie a questo studio?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abS\u00ec, per esempio: per cercare di capire come analizzare in maniera molto semplice la rete neuronale con i dati che avevo, ho imparato che ci sono delle tecniche che adesso posso usare tranquillamente nelle mie simulazioni cosmologiche<\/em> per analizzare la connettivit\u00e0. Ho gi\u00e0 alcune idee per applicare alcune cornici teoriche, che prima non conoscevo e che ho scoperto tramite questo lavoro, per descrivere fenomeni cosmologici con un linguaggio nuovo,<\/em> quello delle reti e dei nodi che si parlano tra di loro. Capire come si organizzano i campi magnetici<\/strong><\/a> nel cosmic web<\/em>, per esempio, che \u00e8 il pilastro del progetto Magcow<\/strong><\/a> che l\u2019Unione Europea, tramite uno Starting Grant, mi ha finanziato per 5 anni, ha molto a che fare col capire come ogni struttura si parla con quelle vicine, il che con una dose di astrazione non \u00e8 molto diverso dal capire perch\u00e9 alcuni neuroni parlano di pi\u00f9 con i neuroni che hanno vicino e altri di meno.<\/p>\n\n\n\n

Pi\u00f9 in generale, questo \u00e8 un primo lavoro e sarei felice se venisse ripetuto da tanti altri anche in modo pi\u00f9 sofisticato. La cosa interessante \u00e8 che, nel caso di queste due reti e di altre reti complesse in natura, anche se le interazioni avvengono tramite leggi fisiche completamente diverse, \u00e8 possibile che la rete nel suo complesso evolva in base alle stesse logiche<\/em>. Per esempio, se voglio trasmettere delle informazioni da un punto all\u2019altro della rete, potrebbe essere pi\u00f9 economico farlo attraverso degli hub<\/em>, delle strutture dominanti rispetto ad altre.<\/p>\n\n\n\n

\u00c8 un argomento molto delicato, confrontare cosmic web<\/em> e cervello, ma anche se i meccanismi e le componenti di materia sono completamente diverse, potrebbe esserci una logica di base simile<\/em>. Un esempio non troppo dissimile viene dallo studio della turbolenza<\/a><\/strong>: la fisica che spiega come si mescola il latte con il caff\u00e8 in modo turbolento quando agito il cucchiaino e la fisica che mi dice cosa succede quando il plasma in due ammassi di galassie si mescola \u00e8 esattamente la stessa. L\u2019ha descritta Kolmogorov<\/strong><\/a>, un matematico russo, quasi ottanta anni fa. Sono interazioni diverse, componenti diverse, per\u00f2 la \u201clogica\u201d di un fluido, di come il fluido evolve e trasmette l\u2019energia da una scala all\u2019altra, dalla pi\u00f9 grande alla pi\u00f9 piccola, \u00e8 la stessa. Il caso della turbolenza ha una storia di ottanta anni e pi\u00f9, mentre quello delle reti \u00e8 molto pi\u00f9 giovane, ma chi studia le reti \u2013 anche umane, di telecomunicazione<\/strong><\/a> o di interazione sociale<\/strong><\/a> \u2013 ha una letteratura smisurata e una capacit\u00e0 di raccogliere informazioni molto pi\u00f9 potente della nostra, e potrebbe essere che anche le reti naturali evolvano con logiche simili. Rendersi conto che, anche con 27 ordini di grandezza di differenza, la rete pi\u00f9 grande che esista in natura e la rete complessa pi\u00f9 piccola che conosciamo<\/em> si somiglino cos\u00ec tanto pu\u00f2 stimolare un settore, quello dell\u2019analisi delle reti, che comunque \u00e8 gi\u00e0 in forte espansione.<\/p>\n\n\n\n

Ci tengo a sottolineare che non stiamo dicendo in alcun modo che l\u2019universo sia un cervello o un\u2019entit\u00e0 pensante, n\u00e9 che dentro di noi ci sia l\u2019universo \u2013 nulla di questo genere. Stiamo solo dicendo che le reti naturali<\/strong>, usando l\u2019approccio pi\u00f9 riduzionista possibile, sembrano evolversi con logiche di scala molto simili<\/strong>, pur basandosi su leggi fisiche molto diverse. A me come astrofisico, trovandomi a trattare i nodi identificati dall\u2019algoritmo per calcolare le propriet\u00e0 della reti, ha affascinato molto pensare come da questi nodi, che in qualche modo, nel cervello di tutti, sono una moltitudine di oggetti distinti (come sono distinte le singole galassie nell\u2019universo) collegati attraverso questa rete, possa emergere \u2013 nel senso fisico del termine<\/strong><\/a>, emergence<\/em> \u2013 una cosa pi\u00f9 o meno unica che noi chiamiamo coscienza<\/strong>, che per\u00f2 non si pu\u00f2 identificare in un singolo neurone. \u00c8 un mistero che mi affascina parecchio\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

Per saperne di pi\u00f9<\/strong>:<\/p>\n\n\n\n