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Università di Bologna: Il cervello umano assomiglia all’universo?

Cellule neuronali e rete cosmica, a confronto. A sinistra: sezione del cervelletto, con fattore di ingrandimento 40x, ottenuta con microscopia elettronica (Dr. E. Zunarelli, Azienda Ospedaliera Universitaria di Modena); a destra: sezione di una simulazione cosmologica, con un’estensione di 300 milioni di anni luce su ciascun lato (Vazza et al.2019 A&A).

Nel loro articolo pubblicato su Frontiers of Physics , Franco Vazza (astrofisico presso l’Università di Bologna) e Alberto Feletti (neurochirurgo presso l’Università di Verona) hanno studiato le somiglianze tra due dei sistemi più impegnativi e complessi in natura: la rete cosmica di galassie e la rete di cellule neuronali nel cervello umano.

Nonostante la sostanziale differenza di scala tra le due reti (più di 27 ordini di grandezza), la loro analisi quantitativa, che si trova all’incrocio tra cosmologia e neurochirurgia, suggerisce che diversi processi fisici possono costruire strutture caratterizzate da livelli simili di complessità e autonomia organizzazione.

Il cervello umano funziona grazie alla sua ampia rete neuronale che si ritiene contenga circa 69 miliardi di neuroni. D’altra parte, l’universo osservabile può contare su una rete cosmica di almeno 100 miliardi di galassie. All’interno di entrambi i sistemi, solo il 30% delle loro masse è composto da galassie e neuroni. All’interno di 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 composta da componenti che giocano un ruolo apparentemente passivo: l’acqua nel cervello e l’energia oscura nell’Universo osservabile.

Partendo dalle caratteristiche condivise dei due sistemi, i ricercatori hanno confrontato una simulazione della rete di galassie con sezioni della corteccia cerebrale e del cervelletto. L’obiettivo era osservare come le fluttuazioni della materia si diffondano su scale così diverse.

“Abbiamo calcolato la densità spettrale di entrambi i sistemi. Si tratta di una tecnica spesso impiegata in cosmologia per studiare la distribuzione spaziale delle galassie”, spiega Franco Vazza. “La nostra analisi ha mostrato che la distribuzione della fluttuazione all’interno della rete neuronale del cervelletto su una scala da 1 micrometro a 0,1 millimetri segue la stessa progressione della distribuzione della materia nella rete cosmica ma, ovviamente, su una scala più ampia che va da 5 da milioni a 500 milioni di anni luce “.

I due ricercatori hanno anche calcolato alcuni parametri che caratterizzano sia la rete neuronale che la rete cosmica: il numero medio di connessioni in ciascun nodo e la tendenza a raggruppare più connessioni in nodi centrali rilevanti all’interno della rete.

“Ancora una volta, i parametri strutturali hanno identificato livelli di accordo inaspettati. Probabilmente, la connettività all’interno delle due reti si evolve seguendo principi fisici simili, nonostante la notevole ed evidente differenza tra i poteri fisici che regolano galassie e neuroni”, aggiunge Alberto Feletti. “Queste due reti complesse mostrano più somiglianze di quelle condivise tra la rete cosmica e una galassia o una rete neuronale e l’interno di un corpo neuronale”.

I risultati incoraggianti di questo studio pilota stanno spingendo i ricercatori a pensare che nuove ed efficaci tecniche di analisi in entrambi i campi, cosmologia e neurochirurgia, consentiranno una migliore comprensione delle dinamiche indirizzate alla base dell’evoluzione temporale di questi due sistemi.

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