大脑存储容量有多大:相当13.3年高清电视录像

北京时间1月22日消息,据国外媒体报道,美国索尔克生物学研究所科学家近日对人类大脑突触的存储容量进行测量发现,平均一个突触能够存储大约4.7比特的信息数据。这就意味着人类大脑的信息存储容量至少为1帕字节,即1千万亿字节,这一容量比此前想象认为的人类大脑信息存储容量要大10倍。

大脑存储容量有多大:相当13.3年高清电视录像的照片

在某些情况下,一个神经元的独立轴突可以形成两个突触伸向另一个神经元的一个独立树突。这表明,第一个神经元似乎向接收神经元发送了一个复制信息。

人类大脑突触主要负责记忆存储。如果说人类大脑信息存储容量达到1帕字节,那么如此庞大的信息相当于大约两千万个四抽档案柜所能够存放的文字信息,或者相当于13.3年时长的高清电视录像。科学家们此次研究成果发表于生命科学顶级期刊《eLife》之上,该成果同时解决了一系列长久以来的难题,如人类大脑为什么如此精力充沛?为什么能够帮助工程师们制造如此强大的电脑?

该项研究负责人之一、美国索尔克生物学研究所科学家特里-塞吉诺维茨基表示,“这在神经科学领域算是一颗真正的重磅炸弹。我们发现了解密海马体神经元是如何以较低能量实现高效计算的设计原理。通过对大脑记忆存储容量的测量,保守估计这一容量应提高10倍,即达到1帕字节。”

人类的记忆和思想是大脑中电波和化学活动的结果。这些活动的一个关键部分发生于神经元的分支(好比电线的线路)相互作用于某些特定结点(即突触)。一个神经元的“输出线路”(即轴突)与另一个神经元的“输入线路”(即树突)相连接,信号以一种被称为“神经递质”的化学物质沿着突触传递,并告诉接收神经元是否将电信号传递给下一个神经元。每一个神经元可以通过数千个这样的突触与数千个其它的神经元联系。尽管科学家已经知道突触的机能障碍可导致许多神经方面的疾病,但突触的真正工作机制仍然是个谜。较大的突触相对比较强大,比中等或小型突触更可能激活周围的神经元。

索尔克生物学研究所研究团队利用实验鼠的海马体组织建立起一个三维模型,他们注意到一些不寻常的现象。在某些情况下,一个神经元的独立轴突可以形成两个突触伸向另一个神经元的一个独立树突。这表明,第一个神经元似乎向接收神经元发送了一个复制信息。最初,研究人员并未在意这个复制品,因为在海马体中发生这种现象的概率只有十分之一。但是,研究团队成员汤姆-巴托尔意识到,如果他们能够测量出两种相似突触之间的差异,就可能了解突触的大小。“我们吃惊地发现,每一对突触的大小差异非常小。平均说来,突触的大小差异只有大约8%。此前没有人去关注这么小的差异。”

由于神经元的记忆存储容量依赖于突触的大小,那么这8%的差异就成了一个关键的因素。研究人员将这种差异列入他们的算法模型。巴托尔介绍说,“我们的数据表明,突触的规模要比此前研究得出的结论大10倍以上。”在电脑术语中,平均一个突触的信息存储量约为4.7比特。塞吉诺维茨基认为,“这比此前任何人所想像的数据要高出大约一个数量级。”

这一发现成果也对大脑的惊人效率给出了一个合理的解释。意识清醒的成人大脑可以产生大约20瓦持续功率,相当于一个昏暗的电灯泡。研究人员的发现成果还可以帮助计算机科学家研制超精确又极节能的计算机,尤其是那些采用“深度学习”或“人工神经网络”技术的计算机。塞吉诺维茨基表示,“大脑的这一技能完全可以为未来更先进计算机的设计指明方向。”

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