인간 두뇌는 우주와 놀랍도록 닮았다

CREDIT: Illustris Collaboration

신경 과학자와 천체 물리학자가 인간 두뇌와 우주가 놀랍도록 닮은 유사점을 발견했다. 

이탈리아 볼로냐대학 천체 물리학자 프랑코 바자(Franco Vazza)와 베로나대학 신경외과 의사 알베르토 펠레티(Alberto Feletti)는 복잡한 우주 은하 네트워크(우주 웹)와 뇌 신경망 구조를 비교한 결과 엄청난 크기 차이에도 불구하고 서로 비슷한 복잡성과 자기 조직화를 발견했다.

연구 결과(논문명: The quantitative comparison between the neuronal network and the cosmic web)는 물리학 국제저널 ‘Frontiers in Physics’에 11월 16일(현지시각) 실렸다.

왼쪽: 전자 현미경으로 얻은 40x 배율 소뇌 단면. 오른쪽: 각면에 3억 광년 확장된 우주 시뮬레이션 섹션. [CREDIT: University of Bologna]

인간 뇌에는 약 1000억개 뉴런이 포함되어 있고, 관측 가능한 우주에도 최소 1,000억개 은하가 포함되어있는 것으로 알려졌다.

두 시스템 모두 질량의 30%만이 은하와 뉴런으로 구성됐다. 은하와 뉴런은 모두 긴 필라멘트 또는 필라멘트 사이 노드로 배열돼 있다. 두 시스템 내에서 질량이나 에너지의 나머지 70%는 겉보기에 수동적인 역할을 한다. 즉, 뇌 속 물과 우주 암흑 에너지다.

연구팀은 우주 은하 네트워크 시뮬레이션을 대뇌 피질과 소뇌 수평단면과 비교했다. 연구 목표는 물질이 이처럼 다양한 규모로 어떻게 흩어져 있는지 관찰하는 것이었다. 즉 두 시스템 스펙트럼 밀도를 계산했다. 이는 은하 공간 분포를 연구하기 위해 우주론에서 자주 사용되는 기법이다.

분석 결과 1마이크로미터(1㎛)에서 0.1밀리미터(0.1㎛)까지 소뇌 신경망 내 변동 분포가 우주 웹에서 물질 분포의 동일한 진행을 따른다는 것을 발견했다. 우주 웹은 5백만 광년에서 5억 광년에 이르는 대규모로 진행된다. 

또한 연구팀은 신경망과 우주 웹을 특성화하는 몇 가지 매개 변수를 계산했다. 각 노드 평균 연결 수와 네트워크 내 관련 중앙 노드에서 여러 연결을 통해 뭉치는 경향이 있었다.

연구팀은 “이처럼 놀라운 유사점은 믿을 수 없을 정도로 복잡한 두 구조에 동일한 물리적 원리가 적용된다는 사실에 귀결된다”고 말했다. 
 
이번 연구는 우주론과 신경과학에서 새로운 분석 기법을 가능케 했다. 이는 우주와 인간 두뇌 진화에 대한 지식을 발전시키는 데 도움이 될 것이다.

김민중 기자 science@