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L’univers structuré comme un gigantesque réseau neuromorphique galactique

Comparaison quantitative entre le réseau neuronal et la toile cosmique

 
Une observation clé dans la science d'une physique unifiée décrivant la réalité est que l'univers semble suivre un modèle d'auto-organisation utilisant les propriétés de l'holographie et des fractales. Ces deux caractéristiques de la structure organisationnelle de l'univers sont si omniprésentes que nous, chercheurs à la Resonance Science Foundation, parlons souvent de "physique "holofractale" pour décrire simultanément un système organisationnel qui est à la fois holographique et fractal par nature. Ce terme fait référence à deux propriétés de l'organisation universelle qui semblent être primaires : l'ordonnancement holographique de l'information - dans lequel toute sous-unité d'un système contient des informations sur l'ensemble - et l'ordonnancement fractal de la structure.

Que signifie "ordonnancement fractal de la structure" ? Les fractales sont générées par des fonctions algorithmiques relativement simples, où le traitement par rétroaction génère des motifs souvent complexes. Une fractale est un motif autosimilaire (mais pas nécessairement identique) qui se répète à travers l'échelle ou la magnitude.

 



Quel que soit le degré de zoom avant ou arrière, on observe qu'un motif autosimilaire se répète à l'infini. Techniquement parlant, cela signifie qu'une fractale possède la propriété d'invariance d'échelle, c'est-à-dire que le même niveau de complexité se répète à travers les échelles, ce qui rappelle l'axiome hermétique "ce qui est en haut est comme ce qui est en bas”.

 

 

Voici l'essentiel : si l'univers est ordonné de manière fractale, cela signifie qu'il existe un certain niveau de complexité d'échelle invariable. Ainsi, lorsque l'on observe, par exemple, la complexité à l'échelle mésoscopique du cerveau animal (voir Figure 2), on devrait s'attendre à voir ce niveau de complexité se répéter à certains intervalles à des échelles plus grandes et plus petites. Avec la technologie actuelle, nous ne pouvons pas sonder directement l'architecture interconnectée de l'espace à l'échelle de Planck [1], qui devrait s'approcher de la connectivité et de la complexité informationnelle du cerveau, mais nous pouvons quantifier la complexité de l'univers aux plus grandes échelles - appelée la Toile cosmique - à partir de données d'observation.

[1] "..l'espace-temps dans des régions suffisamment petites ne devrait pas être simplement " bosselé ", pas simplement erratique dans sa courbure ; il devrait se fractionner en géométries en perpétuelle évolution et à connexions multiples. Pour les très petits et les très rapides, les trous de ver devraient faire partie du paysage au même titre que ces particules virtuelles dansantes qui donnent à l'électron son énergie et son magnétisme légèrement modifiés [décalage de Lamb]." -John Archibald Wheeler

Figure 2. Le système biologique d'une cellule est 1030 ordres de grandeur plus grand que l'échelle de Planck et 1030 ordres de grandeur plus petit que l'univers observable, il est donc posé à équidistance entre ces deux limites, à l'échelle mésoscopique


C'est exactement ce qu'a fait une étude qui a révélé l'existence d'une similitude objective et quantitative (déterminée mathématiquement) entre les réseaux neuronaux et ceux des galaxies. Dans un article publié dans Frontiers in Physics, les professeurs Franco Vazza et Alberto Feletti, respectivement astrophysicien et neuroscientifique, ont quantifié les propriétés structurelles, morphologiques, mémorielles et de réseau entre la Toile cosmique universelle et le réseau de cellules neuronales du cerveau humain [1].

Leur étude démontre quantitativement que les similitudes apparentes entre ces deux réseaux de matière dans l'univers - séparés par de vastes échelles de grandeur - ne sont pas simplement une coïncidence ou un fantasme subjectif, mais nécessitent au contraire une description physique qui unifie la dynamique d'auto-organisation à travers les échelles (nous avons décrit la dynamique d'auto-organisation unifiée dans notre article The Unified Spacememory Network - Réseau Unifiée de l'Espace-Mémoire  [2], et avons discuté de la dynamique d'organisation unifiée du champ morphogénique dans Le champ morphogénétique existe et ces scientifiques nous montrent comment l’utiliser pour comprendre la Nature). Et le plus intéressant, peut-être, est que leurs résultats suggèrent que "les souvenirs de votre vie pourraient, en principe, être stockés dans la structure de l'univers" (une conclusion implicite dans notre étude du Réseau Unifiée de l'Espace-Mémoire.

[1] Franco Vazza est astrophysicien à l'Institut de radioastronomie, INAF, Bologne, Italie.

Alberto Feletti est membre du département de neurochirurgie de l'hôpital NOCSAE, Azienda Ospedaliero-Universitaria di Modena, Italie..

 


Examinons maintenant certaines similitudes d'organisation structurelle entre les réseaux neuronaux et galactiques (dont les échelles sont séparées de ~1027 ordres de grandeur). Les galaxies se regroupent en structures colossales appelées amas supergalactiques dont la taille peut atteindre des centaines de millions de parsecs. Ces structures sont organisées sous forme de réseaux dendritiques fractals (comme les neurones du cerveau), avec de longs filaments galactiques reliant les nœuds - les principaux centres galactiques - et des vides tout aussi colossaux dans l'espace libre entre les filaments et les nœuds. Franco Vazza et Alberto Feletti ont effectué des calculs à propos de cette frontière vide-filament [3], à laquelle la gravité accélère la matière à des vitesses de plusieurs milliers de kilomètres par seconde, et ont constaté qu'il s'agit de certaines des zones de matière organisée les plus complexes de l'univers.

 

La totalité de la toile cosmique - la structure à grande échelle tracée par toutes les galaxies de l'univers - s'étend sur au moins quelques dizaines de milliards d'années-lumière. Cela représente 27 ordres de grandeur de plus que le cerveau humain... [et] l'une de ces galaxies abrite des milliards de cerveaux réels.  Si la toile cosmique est au moins aussi complexe que chacun de ses éléments constitutifs, nous pourrions naïvement en conclure qu'elle doit être au moins aussi complexe que le cerveau.

 

Ainsi, les deux systèmes sont organisés en réseaux bien définis, et en examinant certaines des comparaisons quantitatives entre ces deux systèmes, nous constatons un étrange niveau de similitude entre eux.

Des observations récentes estiment le nombre total de galaxies dans la sphère observable de l'Univers à environ 2,6 trillions [4], dont environ 50 milliards ont une masse égale ou supérieure à celle de la Voie lactée. Les galaxies ne sont pas distribuées de manière uniforme ou homogène dans l'univers, mais s'agrègent plutôt en grands amas, certains super-amas galactiques ayant une masse totale dépassant un quadrillion (1015) de masses solaires. De grands filaments de plusieurs dizaines de mégaparsecs relient les amas et les groupes de galaxies, qui sont autrement séparés par de l'espace intergalactique (principalement) vide.

Comme nous l’avons déjà mentionné, la super structure galactique est très analogue à la cytoarchitecture du cerveau des mammifères. Des études quantitatives récentes sur le cerveau humain adulte estiment qu'il y a environ 86 milliards de neurones au total, et un nombre presque égal de cellules gliales et autres cellules non neuronales [5, 6]. De là, si l'on compare l’ensemble de toutes les galaxies dont la masse est comparable ou supérieure à celle de la Voie lactée, et dont l'étendue typique n'est qu'une infime fraction (≤10−3) de la taille de leur système hôte avec l’aspect morphologique des neurones dans le cerveau humain, on peut trouver des similitudes quantitativesIl est intéressant de noter que les estimations du nombre total de neurones dans le cerveau humain sont proches du nombre de galaxies dans l'univers observable, soit approximativement 1010− 1011.

Vazza et Feletti notent également :

Il est frappant de constater que, dans les deux cas, ∼75 % de la répartition masse/énergie est constituée d'un matériau apparemment passif, qui imprègne les deux systèmes et ne joue qu'un rôle indirect dans leur structure interne : l'eau dans le cas du cerveau, et l'énergie noire en cosmologie, qui, dans une large mesure, n'affecte pas la dynamique interne des structures cosmiques.”


Il est important de souligner, à partir de la citation ci-dessus, que si l'eau dans le cerveau et l'énergie noire en cosmologie sont considérées comme des milieux passifs dans les modèles conventionnels, elles sont loin de l’être et jouent un rôle intégral dans les propriétés opérationnelles de leurs systèmes respectifs. Par exemple, le liquide céphalo-rachidien (qui est principalement composé d'eau) est le principal vecteur de substances neuroactives et de molécules de signalisation régulatrices comme les mitogènes [7], et l'énergie noire est le résultat des énormes fluctuations d'énergie du vide quantique. Ces fluctuations ont établi les homogénéités initiales de la densité d'énergie qui ont donné naissance aux amas galactiques [8].

Une analyse statistique plus poussée a montré que les similitudes entre la toile cosmique et les réseaux neuronaux du cerveau ne sont ni subjectives, ni spécieuses, ni le résultat d'une tentative de l'esprit humain de reconnaître des formes là où il n'y en a pas (en essayant de mettre de l'ordre dans un ensemble de données chaotiques, comme voir des visages dans les nuages). Vazza et Feletti ont utilisé une technique d'analyse spectrale couramment utilisée en cosmologie, appelée analyse du spectre de puissance de densité, pour évaluer le niveau de similitude quantitative entre les deux réseaux.

Ils décrivent que : "Le spectre de puissance d'une image mesure la force des fluctuations structurelles appartenant à une échelle spatiale spécifique. En d'autres termes, il nous indique combien de notes de haute fréquence et de basse fréquence composent la mélodie spatiale particulière de chaque image.”

Ils ont constaté que le spectre de puissance de tranches réelles de cervelet et de cortex cérébral (à un grossissement de 40X) correspond à la courbe de la toile cosmique (générée par simulation ; voir les travaux de Franco Vazza sur les simulations cosmologiques ici [1]) à un degré statistiquement significatif (figure 5).

[1] Franco Vazza; Cosmological Simulations and Projects. https://cosmosimfrazza.myfreesites.net/all-projects

Figure 5. Distribution des fluctuations en fonction de l'échelle spatiale pour les mêmes cartes de la figure 1 (avec l'analyse supplémentaire d'une fine tranche à travers le cortex humain, non représentée sur la figure 1). À titre de comparaison, la densité spectrale de puissance des nuages, des branches d'arbres et de la turbulence du plasma et de l'eau est représentée. Extrait de The Strange Similarity of Neuron and Galaxy Networks, par Franco Vazza et Alberto Feletti.

 

De manière quelque peu surprenante, Vazza et Feletti ne considèrent pas le cerveau et la toile cosmique comme des systèmes fractals, mais suggèrent plutôt que leur analyse peut être interprétée comme une preuve de l'émergence de structures auto-organisées dépendantes (par opposition à indépendantes) d’une échelle. Leur point de vue à ce sujet semble provenir d'une comparaison du cerveau (cervelet et cortex) et de la toile cosmique avec des systèmes hautement fractals comme les nuages, les branches d'arbres, la turbulence du plasma et la turbulence de l'eau. Ces derniers systèmes complexes présentent tous une forte autosimilarité, mais l'échelle sur laquelle cette autosimilarité est analysée est très réduite par rapport à la différence d'échelle astronomique entre le cerveau et la toile cosmique. Nous suggérons que la fractalité de l'autosimilarité se situe simplement à des intervalles beaucoup plus grands pour la structure de la toile cosmique. Par exemple, le modèle dendritique anfractueux de la toile cosmique peut se répéter dans l'ordonnancement des multivers à une échelle que nous ne sommes actuellement pas en mesure d'observer.  Ainsi, l'ordonnancement holofractal des multivers est préservé, et constitue un facteur important dans les paramètres d'auto-organisation de la nature.

Les calculs de la capacité de mémoire du cerveau comparés à la dernière cartographie du réseau de connectivité [1]  du réseau cosmique (en termes de nombre de bits nécessaires pour le simuler [9]) présentent des similitudes vraiment remarquables. Dans ses calculs, Franco estime la capacité de mémoire du réseau cosmique à environ 10 pétaoctets (1016 octets).

[1] http://www.humanconnectomeproject.org/

 

La croissance de la structure cosmique à grande échelle est un bel exemple de la façon dont la complexité peut émerger dans notre Univers, à partir de conditions initiales simples et de lois physiques simples. À l'aide des simulations numériques cosmologiques ENZO, j'ai appliqué les outils de la théorie de l'information (à savoir la "complexité statistique") pour quantifier la quantité de complexité dans le volume cosmique simulé, en fonction de l'époque et de l'environnement cosmiques. Cette analyse permet de quantifier la difficulté de prédire, au moins au sens statistique, l'évolution de l'énergie thermique, cinétique et magnétique de la composante dominante de la matière ordinaire dans l'Univers (le plasma du milieu intragalactique)." -Franco Vazza, How Complex is the Cosmic Web? [9]

 

Des études sur le réseau de connectivité du cerveau permettent d'estimer la capacité totale de la mémoire à environ 2,5 pétaoctets (bien qu'il s'agisse d'une sous-estimation grossière car elle suppose que la capacité de la mémoire est uniquement fonction du réseau de connectivité synaptique et ne tient pas compte du traitement de la mémoire sous-synaptique et sous-cellulaire).

Vazza et Feletti soulignent que, sur la base de ces calculs, il existe une similitude approximative entre la capacité de mémoire du réseau galactique et celle du réseau neuronal. Ce qui signifie que, potentiellement, l'ensemble des informations stockées dans un cerveau humain peut également être encodé dans la distribution des galaxies à travers l'univers. Ou, inversement, qu'"un dispositif informatique doté de la mémoire du cerveau humain peut reproduire la complexité affichée de l'univers à ses plus grandes échelles”.

 

La perspective RSF

En suivant le principe holofractographique de la structure auto-organisée de l'univers et de la nature, nous postulons a priori que la structuration observée à une échelle particulière de l'univers - par exemple l'échelle mésoscopique du cerveau humain - sera répétée à des intervalles d'échelle plus grands ou plus petits, car la complexité de l'organisation de l'univers ne dépend pas de l’échelle. Cette dernière étude objective et quantitative confirme l'exactitude de cette hypothèse, puisque les mêmes modèles, niveaux de complexité et capacités de traitement de l'information sont observés pour les amas supergalactiques et pour le cerveau humain. Un point intéressant de spéculation est : "la forme incarne-t-elle la fonction" ? Nous pensons que c'est le cas dans une certaine mesure. Ainsi, aux plus grandes et aux plus petites échelles de l'univers - où l'organisation structurelle et la dynamique de la matière que l'on retrouve à l'échelle mésoscopique (par exemple, le cerveau humain) sont reproduites - il y aura des propriétés de traitement de l'information et de mémoire, que nous avons appelé l'espace-mémoire. Cela a des implications importantes pour la dynamique naturelle qui sous-tend l'évolution et le développement de l'univers et de tous ses innombrables sous-systèmes interdépendants, et une signification particulière pour les théories scientifiques concernant la nature de la conscience dans l'univers. En effet, elle soutient l'hypothèse scientifique valide du panpsychisme, dans laquelle des éléments de conscience se trouvent à chaque niveau, dans chaque sous-système et dans l'univers dans son ensemble.

 

Références

[1] F. Vazza & A. Feletti. The Quantitative Comparison Between the Neuronal Network and the Cosmic Web. Frontiers in Physics (2020) Volume 8, Article 525731. https://doi.org/10.3389/fphy.2020.525731

[2] Haramein, N., Val Baker, A., Brown, W. The Unified Spacememory Network: from cosmogenesis to consciousness. The Journal of Neuroquantology (2016) Vol 14, Issue 4, doi: 10.14704/nq.2016.14.4.961

[3] Vazza, F. On the complexity and the information content of cosmic structures. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 465, 4942-4955 (2017).

[4] Conselice CJ, Wilkinson A, Duncan K, Mortlock A. The evolution of galaxy number density at z < 8 and its implications. Astrophys J. (2016) 830:83. doi:10. 3847/0004-637X/830/2/83

[5] Azevedo FA, Carvalho LR, Grinberg LT, Farfel JM, Ferretti RE, Leite RE, et al. Equal numbers of neuronal and nonneuronal cells make the human brain an isometrically scaled-up primate brain. J Comp Neurol. (2009). 513:532–41. doi:10.1002/cne.21974

[6] Herculano-Houzel S. The remarkable, yet not extraordinary, human brain as a scaled-up primate brain and its associated cost. Proc Natl Acad Sci USA. (2012). 109:10661–8. doi:10.1073/pnas.1201895109

[7] J. G. Veening and H. P. Barendregt, “The regulation of brain states by neuroactive substances distributed via the cerebrospinal fluid; a review,” p. 16, 2010. https://fluidsbarrierscns.biomedcentral.com/track/pdf/10.1186/1743-8454-7-1.pdf

[8] Q. Wang, Z. Zhu, and W. G. Unruh, “How the huge energy of quantum vacuum gravitates to drive the slow accelerating expansion of the Universe,” Phys. Rev. D, vol. 95, no. 10, p. 103504, May 2017, doi: 10.1103/PhysRevD.95.103504.

[9] F. Vazza, “How complex is the cosmic web?,” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 491, no. 4, pp. 5447–5463, Feb. 2020, doi: 10.1093/mnras/stz3317.

 

 

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