우주와 뇌는 구조가 비슷하다고 수학적으로 증명! 우주는 뇌고 뇌는 우주였다고?

川勝康弘

Credit:国立天文台

우주와 뇌의 구조적 관계

 

어쩌면 우주는 뇌일지도 모릅니다.

11월 16일 Fronties in Physics에 실린 논문에 따르면 뇌 속의 뉴런과 우주 대규모 구조의 유사성을 수학적으로 증명하는 데 성공했다는 것.

뇌와 우주 사이에 도대체 어떤 유사한 것이 있는 걸까요?

우주와 뇌의 불가사의한 유사성

 

Credit: 뉴욕타임즈 실험쥐 뇌의뉴런과 우주구조

많은 사람에게 뇌와 우주의 관련성을 의식하게 한 것은 2006년에 『뉴욕 타임즈』에 게재된 한 쌍의 사진 이었습니다(위의 그림).

이 이미지의 왼쪽은 마우스 뇌 속의 뉴런을 붉게 염색한 것, 오른쪽에는 우주에 분포하는 은하의 대규모 구조를 시뮬레이션 한 결과가 이미지화 되어 있습니다.

두 사진의 구조가 매우 유사하다는 사실은 충격적이며 많은 사람들의 기억에 뇌와 우주의 신비로운 관계를 각인 시켰습니다.

두 사진의 구조가 비슷한 이유는 구성 비율의 유사성이 원인이 아닐까 합니다.

인간의 뇌는 대략 860억 개(이 중 소뇌는 690억 개)의 뉴런과 그 네트워크로 구성되어 있는 한편, 관측 가능한 우주에는 1000억 개의 은하로 이루어진 「은하의 망」이 존재합니다.

그리고 뉴런과 은하는 모두, 각각이 속하는 시스템(뇌전체와 우주전체) 질량의 극히 일부(30% 미만)에 지나지 않습니다.

뇌의 경우는 77 %가 수분이며, 우주의 경우는 70 %가 암흑 에너지입니다.

또한 양쪽 모두 그 구조는 그물코와 연결된 결절점에 의해 조직화되어 있습니다.

이러한 구성 비율과 구조가 유사성을 일으켰을 수도 있습니다.

그러나 뇌와 우주의 유사성은 정통한 과학자들에게는 항상 한발 물러서서 접하는 문제였습니다.

둘의 구조는 언뜻 보기에 비슷해 보이지만 하나는 생명활동의 결과이고 다른 쪽은 중력을 중심으로 한 물리학적 힘에 의해 일어난 결과물이기 때문입니다.

그래서 뇌와 우주를 묶어서 비교하는 시도는 다소 도전적이었습니다.

그러나 볼로냐 대학의 천체물리학자 바자씨와 베로나 대학의 뇌신경외과 의사 페레티씨로 이루어진 콤비는, 그런 두려움으로부터는 거리가 멀었던 것 같습니다.

네트워크의 유사성 수학적으로 해명

 

Credit: Fronties in Physics

 

뉴런(특히 소뇌)과 은하의 유사성을 조사함에 있어서 2명의 연구자들은 가장 먼저 쌍방밀도의 흔들림 폭에 주목했습니다.

그 결과 소뇌의 신경회로망은 가장 조밀한 부분이 1마이크로미터 폭이고, 가장 밀도가 낮은 부분이 정확히 100배인 100마이크로미터 폭으로 분포되어 있음을 밝혀냈습니다.

놀랍게도 이 밀도의 흔들림 폭은 우주에서도 마찬가지 였습니다.

은하그물의 가장 조밀한 은하간 간격은 500만 광년이었고, 가장 밀도가 낮은 부분은 뉴런과 마찬가지로 100배인 5억 광년이었던 것입니다.

자연계에는 그물코 모양을 취하는 많은 구조가 존재하지만 밀도의 흔들림 폭까지 일치하는 경우는 많지 않습니다.

다음으로 연구자들은 뇌의 뉴런 네트워크와 은하 망의 결절점 성질에 대해 조사했습니다.

하나의 결절점에 3개의 선이 뻗어 있는 그물과 100개의 선이 뻗어 있는 그물은 같은 '그물 모양'이라도 크게 구조가 다른 것이라고 판단할 수 있습니다.

분석 결과, 뉴런의 경우는 하나의 결절점에 4~5개의 축삭(축삭가지)이 뻗어 있는 반면, 은하망의 결절점에는 대략 4개의 은하의 연이 뻗어 있었습니다.

게다가 뉴런 망과 은하의 망도 동일하게 중앙의 결절점의 주위에 연결을 위해 클러스터를 만들기 쉽게 하는 경향을 나타냈습니다.

그리고 가장 흥미로운 점은 네트워크가 기억할 수 있는 정보용량을 비교한 결과, 양쪽이 거의 같은 크기의 양을 유지할 수 있다는 것이 판명되었습니다.

근년에 이루어진 다른 연구에서도 인간의 뇌 네트워크는 이론상 2.5페타바이트, 은하의 망은 4.3페타바이트의 정보를 기록할 수 있음을 나타냈습니다(모든 것을 정보기억에 사용한 경우).

네트워크가 유지할 수 있는 기억용량은 근소한 구조의 차이가 지수함수적인 차이를 낳는다고 알려져 있으며, 그러한 의미에서는 2.5페타바이트와 4.3페타바이트는 매우 유사성이 높은 기억용량이라고 할 수 있습니다.

어떤 이유인지는 알 수 없지만, 은하 그물의 기억 용량은 경험 많은 인간의 일생 정보량에 맞춘 크기로 되어 있는 것 같습니다.

우주는 누군가의 뇌일까?

 

Credit: Fronties in Physics

이번 연구를 통해 인간 뇌의 네트워크와 은하의 망 구조가 매우 유사하다는 사실이 수학적으로 밝혀졌습니다.

이 사실은 뉴런과 은하를 제어하는 물리학적 힘은 전혀 다른 상관관계지만 네트워크의 접속성으로 한정하면 같은 법칙에 따라 진화하고 있음을 나타냅니다.

연구자들은 뇌신경학과 우주론 분야에서 이 기묘한 일치는 네트워크에 대한 보다 나은 이해를 가능하게 한다고 결론지었습니다.

reference: sciencealert

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