Объём памяти нашего мозга в 10 раз больше, чем считалось ранее

Алексей Калько

Salk Institute

Компьютерная модель синапса – соединения нейронов, которое, как считается, отвечает за память

Кто-то однажды сказал, что мозг человека – наиболее сложно организованная часть материи во всей вселенной. Вряд ли он мог себе представить, насколько окажется прав. Учёные-нейробиологи из Института биологических исследований Солка в Калифорнии изучили характеристики нейронных связей, и выяснили, что информационная ёмкость мозга во много раз выше, чем считалось ранее. Они также раскрыли рациональную тактику, которую использует мозг, чтобы увеличить свои вычислительные способности и одновременно свести к минимуму энергопотребление. Более того, это открытие может помочь инженерам создать новый класс компьютеров с невероятной вычислительной мощностью и пониженным энергопотреблением.

Снова и снова человек учится у своего Создателя, но, к сожалению, часто забывает отдать Ему должное как настоящему Автору.

Как мозг хранит информацию?

Объём информации в компьютере можно измерить с помощью количества бит (0 или 1), которые могут храниться и быть считанными. В головном мозге информация хранится в виде силы синапса. Синапс – место контакта между двумя нейронами, через которое происходит передача нервного импульса, а сила синапса – мера того, насколько активно один нейрон влияет на другой.

Результаты могут помочь инженерам создать новый класс компьютеров с невероятной вычислительной мощностью и пониженным энергопотреблением.

Из тела каждой нервной клетки выходят длинные, подобные кабелю ветви – аксоны, и многочисленные короткие ветви, называемые дендритами. Аксоны одних нейронов соединяются с крошечными выступами, или «шипиками» на дендритах других. Каждый нейрон может иметь тысячи синапсов с другими нейронами. Когда два нейрона по обе стороны от синапса активны одновременно, этот синапс становится сильнее. При этом толщина дендритных шипиков также увеличивается, чтобы вместить дополнительные молекулярные механизмы, необходимые для поддержания более сильного синапса. Эта возможность изменения силы синапса называется синаптической пластичностью и считается основным механизмом, с помощью которого реализуется память. [См. видео «Как работает синапс» (англ.)]

Количество различных значений силы может быть измерено в битах. Следовательно, полная ёмкость памяти мозга зависит от количества синапсов и количества различимых сил синапса. Поэтому для определения объёма памяти мозга важным является вопрос – как много информации можно хранить в синапсе.

Image generated by Life Science Databases(LSDB)
[CC BY-SA 2.1 jp]

Трёхмерная модель гиппокампа (красным)

Какова ёмкость памяти человеческого мозга?

В новом исследовании, опубликованном в журнале eLife,1 нейробиологи из Института биологических исследований Дж. Солка в Калифорнии попытались ответить на этот вопрос. Они пришли к выводу, что объем информации человеческого мозга может быть на порядок выше (в 10 раз), чем считалось ранее.

С помощью современных методов электронной микроскопии учёные построили 3D-модель миниатюрного (размером с кровяную клетку) кусочка ткани гиппокампа (части мозга, отвечающей за память) крысы. Модель воссоздавала соединения, формы, объёмы и поверхность тканей мозга вплоть до наномолекулярного уровня. Это позволило сравнить размеры дендритных шипиков, которые формируют синапсы. Из-за случайной изменчивости синаптической активности, для обеспечения точности измерений требовалось усреднение активности в течение нескольких минут. Учитывая также колоссальное количество соединений между нейронами, моделирование требовало высокую вычислительную мощность.

Сначала выяснилось, что некоторые аксоны (примерно в 10 процентах случаев) образуют два или больше синапсов с одним дендритом, но на разных дендритных шипиках. Сначала учёные не придали большого значения такому дублированию, но потом поняли, как это можно использовать. Такие синапсы должны быть одинаковой силы, потому что они испытали ту же историю нейронной активности. Кроме того, известно, что размеры шипика и сила синапса напрямую связаны. Эти удивительные зависимости позволили оценить изменчивость синаптической пластичности, а значит, и количество бит информации, которые может хранить один синапс.

Измерения в небольшом кубике мозговой ткани показали, что шаг увеличения силы составляет всего 8%, и что есть 26 различных размеров дендритных шипиков. А значит, есть 26 уровней силы синапса. И учёные признаются, что такого никто из них не ожидал. Ранее считалось, что синапс может иметь всего несколько состояний (например, сильное, среднее, слабое, что говорило бы о троичной системе сигналов). Но полученные результаты говорят о ёмкости примерно 4,7 бит информации на 1 синапс (24.7 ≈ 26). Определив информационную ёмкость отдельного нейрона, можно оценить объём всей человеческой памяти.

Salk Institute

2 синапса (показаны стрелками) между одним аксоном (жёлтым) и одним дендритом (серым)

Salk Institute

26 уровней силы синапса

Это означает, что ёмкость памяти мозга – с многочисленными триллионами синапсов – возможно, прежде была занижена примерно на порядок. Терри Сейновски, соавтор исследования, сказал в интервью для издания Института Солка:2

«Это настоящая бомба в области неврологии. Наши новые измерения объёма памяти мозга увеличивают сдержанные оценки в 10 раз, до как минимум петабайта, что соизмеримо с объёмом всемирной паутины».3

Что такое петабайт? 1 000 000 000 000 000 байт информации. Но некоторые считают, что и эта оценка занижена. Например, Пол Ребер из Северозападного Университета полагает, что настоящий объём может составлять от 3 до 5 петабайт.4

Однако авторы статьи отмечают, что оценка является предварительной, и необходимы дополнительные измерения в этих же и других областях мозга, чтобы подтвердить их выводы. Кроме того, сложно точно вычислить объём, поскольку мы ещё очень многого не знаем о построении и принципах работы мозга.

Снова и снова человек учится у своего Создателя, но, к сожалению, часто забывает отдать Ему должное как настоящему Автору.

Потрясающее решение эффективности

Что удивляет в такой точности шага изменения силы, так это то, что она на первый взгляд контрастирует с общеизвестной ненадёжностью самих синапсов. Когда один нейрон передаёт сигнал другому, обычно активация другого нейрона происходит лишь в 10–20% случаев.

Учёные признаются, что они часто удивлялись, как такая удивительная точность работы мозга обеспечивается такими ненадёжными синапсами. Ответ, который предполагают учёные, заключается в том, что синапсы постоянно подстраиваются, что аггрегирует уровни успешных и неуспешных срабатываний. С одной стороны, это позволяет уменьшить потребление энергии, ведь, если синапс активен 10–20% времени, то его потребление уменьшается на 80% по сравнению с постоянной активностью.

С другой, успешные и неуспешные срабатывания усредняются на длительных промежутках времени, и позволяют считать корректное значение. То есть записанная информация считывается как усреднённое значение многих событий, а не в виде результата отдельных срабатываний. Такой способ считывания значений также уменьшает влияние отдельных ошибок. И это повышает надёжность системы по сравнению с традиционными компьютерами, в которых один ошибочный бит может привести к сбою всей программы. Авторы исследования предполагают, что система, основанная на точности отдельных срабатываний, была бы намного энергозатратнее и менее надёжной (и при этом более сложной), чем система, точность и стабильность которой основана на усреднённом уровне вероятности множества событий.

Итоги

Под кажущимся хаосом и беспорядком мозга прячется невероятная точность размеров и форм синапсов, которая была скрыта от нас. Мы  нашли ключ к раскрытию конструктивного решения, как нейроны гиппокампа обрабатывают такие громадные объёмы данных, потребляя так мало энергии. Этот ловкий приём, используемый мозгом, подсказывает нам принципы построения более совершенных компьютеров.

Открытый исследователями такой принцип хранения информации позволяет значительно сократить энергопотребление, одновременно повышая рабочий объем данных. Это частично объясняет тот факт, что человеческий мозг является наиболее эффективным вычислительным устройством в мире (оставляя даже суперкомпьютеры далеко позади), и при этом потребляет всего от 15 до 45 Вт энергии.

«То, что мы обнаружили, открывает огромные перспективы. Под кажущимся хаосом и беспорядком мозга прячется невероятная точность размеров и форм синапсов, которая была скрыта от нас» – говорит Сейновски, и добавляет – «Мы  нашли ключ к раскрытию конструктивного решения, как нейроны гиппокампа обрабатывают такие громадные объёмы данных, потребляя так мало энергии. Этот ловкий приём, используемый мозгом, подсказывает нам принципы построения более совершенных компьютеров. Оказывается, что использование вероятностной трансмиссии обеспечивает высокую точность и требует намного меньше энергии, как для компьютера, так и для мозга».

Конструктивное решение без конструктора? Такой потрясающий уровень организации и обязательный регулирующий протокол синапсов, настоящий код, который нам ещё предстоит раскрыть, отвергает любые заявления об эволюции мозга путём естественных процессов. Стратегии, алгоритмы, конструктивные принципы, задействованные в мозге, могут исходить только от сверхъестественного Конструктора, у которого нам, людям, ещё учиться и учиться!

Это прекрасное и многообещающее исследование, открывающее новые перспективы. Но разве не удивительно, что эти люди постоянно говорят о «великолепном дизайне», «изобретательных инженерных находках», и «эффективных конструктивных решениях» в природе, и копируют эти решения, потому что они намного превосходят придуманные людьми. И при этом забывают (или не желают) отдать должное Тому, Кто создал и их самих, и те технологии, которые они копируют в Его творении.

Как работает синапс (англ.)

Статьи по теме

Видео по теме

Ссылки и примечания

  1. Thomas M Bartol Jr идр.,Nanoconnectomic upper bound on the variability of synaptic plasticity, 30 ноября 2015; eLife 2015,4:e10778, http://elifesciences.org/content/4/e10778. Назад к тексту
  2. Memory capacity of brain is 10 times more than previously thoughtSalk News. Опубликовано на salk.edu 20 января 2016 г. Назад к тексту
  3. Речь идёт только о «Всемирной паутине» (World Wide Web), то есть об информации, содержащейся непосредственно на веб-сайтах. Конечно, объёмы информации, хранящейся на серверах в интернете, в том числе аудио- и видеоданных, на много порядков больше. Назад к тексту
  4. Bradley J. Fikes, Salk study expands brain memory capacity estimate, San Diego Union Tribune, 19 января 2016 г. Назад к тексту

ПРИСОЕДИНЯЙТЕСЬ!

Наверх