Сколько информации может хранить наш мозг? И может ли в нём закончиться место?
Любая информация занимает определенный объем памяти. Наши воспоминания – это тоже информация, а значит человеческий мозг, подобно жесткому диску, должен иметь ограниченный объем. Так ли это на самом деле и сколько информации может хранить наш мозг? Давайте разбираться!
Как происходит процесс запоминания?
Рабочим компонентом мозга является нейрон – электрически возбудимая нервная клетка. Именно нейроны принимают, обрабатывают, хранят и выдают информацию обратно путем электро-химических сигналов.
Процесс записи происходит путем объединения нескольких нейронов в единую сеть. Всякий раз, когда человеку нужно вспомнить некие сведения, мозг активизирует связанные с ними нейронные сети. Соответственно, чем больше связей между нейронами, тем больше память.
Правда, деятельность нервных клеток довольно энергозатратна для организма. В состоянии покоя мозг потребляет 20% вырабатываемой энергии. При активной умственной работе расход может увеличиваться втрое, резко уменьшая уровень глюкозы в теле.
Чтобы сэкономить энергию, мозг проводит постоянную оптимизацию среди нейронов, удаляя долго неиспользованные сети. Именно поэтому человеку свойственно забывать знания. В голове остаются либо наиболее яркие, либо часто используемые воспоминания.
Сколько в нас гигабайтов?
В мозге среднестатистического человека содержится приблизительно 100 миллиардов нейронов. Каждый из них может участвовать максимум в 10 000 нейронных связях. Каждый нейрон вмещает 4.7 бита информации. На основе этих данных исследователи пришли к выводу, что общая память человека составляет 1 миллион гигабайт (1 петабайт).
Много ли это? Для нас это практически бесконечный объём. Чтобы в совершенстве выучить английский язык, человеку потребуется 1.6 мегабайта памяти. Чтобы запомнить 36 миллионов томов Библиотеки Конгресса США, нужно 0.1 петабайт.
Полностью забить человеческую память информацией не получится и в течение нескольких жизней. Однако жить с огромной памятью было бы крайне неудобно.
Для поддержания всех нейронных связей в рабочем состоянии человеку потребуется регулярно их использовать, затрачивая колоссальное количество энергии. Для её восполнения эрудиту придется жевать пищу сутками напролет. Да и мозг не может работать 24/7, ему тоже нужно отдыхать.
Наш мозг вмещает примерно от 3 000 000 000 000 000 до 8 000 000 000 000 000 байт. Или 3–8 петабайт.
Для сравнения, это примерно в тысячу раз меньше объема данных в интернете. Примерно столько же данных можно скачать при помощи торрента Rutracker.org. Короче, это много. Очень.
Как это измерили
Мозг человека (и других млекопитающих) устроен несколько сложнее, чем жесткий диск. Информация хранится и обрабатывается нейронами – нервными клетками мозга. Между ними проходят электрические и химические сигналы – можно сравнить их с проводами. В мозгу человека десятки миллиардов нейронов.
Чтобы измерить количество информации, которую они могут вместить, в 2016 году ученые из США создали компьютерную модель клетки того участка мозга, который отвечает за переработку памяти (он называется гиппокампом).
Гиппокамп – отросток внизу, похожий на улитку
Выяснилось, что в каждой нервной клетке может храниться примерно 4,7 бита информации. Если перемножить как раз и получится несколько петабайт. Кстати, мозг человека – самое эффективное вычислительное устройства из существующих. На поддержание всей этой системы требуется всего 20 ватт в час.
Почему мозг заполняется так медленно
У человека есть специальные механизмы защиты мозга от перегрузки лишней информацией.
Причем, лишней мозг чаще всего считает ту информацию, которую мы наоборот пытаемся запомнить: цифры, даты, имена. А вот совершенно бесполезные для современного человека данные о вкусе, цвете и запахе предметов мозг отлично запоминает. Через много лет можно помнить, как пахли цветы, которые вы нюхали в детстве.
Это неприятные подарок от эволюции: нашим доисторическим предкам не приходилось запоминать имена и даты, важнее для них была дорога к ближайшему малиннику и внешний вид съедобных грибов.
Как информация хранится в мозге
Мы до конца не знаем. Самая популярная и всеобъемлющая теория называется коннекционизмом.
Если коротко, то в мозге нет участка, который хранит воспоминание о вашей собаке. Информация о ней распределена по множеству нейронов. При этом каждый нейрон может быть связан с сотнями воспоминаний: вы используете его же, когда думаете о собаке и когда пытаетесь прочитать и понять эту статью.
Поэтому сравнивать мозг с жестким диском, конечно, не совсем корректно. На жестком диске бит данных относится только к одному файлу. Но вот нейросети, о которых мы так много пишем, работают по тому же принципу.
Как воспоминания перемешиваются
Вы никогда не перепутаете море и слона. В том смысле, что море соленое, мокрое и без ушей, а слон большой, серый и с хоботом. Это пример радикально разной информации.
А вот цитаты имеют свойство легко смешиваться. Бывает, что вспомнишь сам текст, но не можешь назвать автора и источник. А вот это пример однотипной информации.
Чем сильнее информация отличается от того, что вы раньше знали, тем меньше места в памяти она занимает. Мозгу не нужно тратить место, чтобы запомнить, чем одни данные отличаются от других.
Поэтому, кстати, не рекомендуется изучать несколько языков одновременно – перепутаются.
Так можно ли переполнить мозг знаниями?
Нельзя. Дело в том, что информация имеет свойство еще и стираться, если ей не пользоваться.
Особенно быстро информация забывается на первоначальном этапе: в первый месяц после изучения. Но и потом она все равно теряется, хоть и не так быстро. Попробуйте вспомнить, чему вас учили в шестом классе на уроках географии.
Чтобы не забыть то, что вы изучили, придется постоянно повторять пройденное. В какой-то момент это займет абсолютно все ваше время. Поэтому, кстати, нельзя учить 100 иностранных слов в день. Так что единственное ограничение связано именно с этим. Ну или придется смириться с тем, что часть изученного забудется.
Мораль
Короче, учитесь спокойно. Мозг не закончится, не волнуйтесь.
У вас есть свой блог? Зарабатывайте с нами от 10 000 рублей на партнерской программе TeachLine.
Какой объем займет информация, необходимая для оцифровки вашего мозга?
Мозг человека часто называют самой сложной структурой из известных и теперь, с появлением новой самой подробной трехмерной модели фрагмента коры головного мозга человека, опубликованной командой Google AI, у нас появилась еще одна возможность чуть глубже проникнуть в устройство этого невероятного шедевра биологической эволюции и заодно немного поспекулировать на тему вопроса из заголовка.
Первого июня подразделение поисковика, занимающееся разработками в области искусственного интеллекта, опубликовало в своем блоге релиз самой подробной на данный момент трехмерной структуры одного кубического миллиметра коры головного мозга человека, содержащего около 50 000 нейронов и 130 миллионов нервных соединений — синапсов.
Показаны различные клеточные структуры выделенные в результате обработки микрофотографий. Источник: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.05.29.446289v1.full
Сначала исследователи из Гарварда нарезали один кубический миллиметр ткани мозга на 5300 слоев толщиной всего 30 нанометров и получили изображение каждого слоя с помощью супер-скоростного сканирующего электронного микроскопа MultiSEM 505/506 с разрешением в 4 нанометра или одной 250-тысячной доли миллиметра, всего получилось 255 миллионов изображений или примерно по 48 тысяч на один слой. Ниже показана сшивка изображения одного слоя, объем данных которого около 300 гигабайт.
На видео ниже склейка и сегментация получившихся изображений.
Затем команда Google AI создала из всего этого добра огромную трехмерную модель, объемом 1400 терабайта (1,4 петабайта), для чего потребовалась работа уже искусственных нейросетей, использующих для вычислений тысячи тензорных процессоров Cloud TPU.
Ферма тензорных процессоров Cloud TPU Pod, развивающая вычислительную мощность около 10^17 операций в секунду(1000 петафлопс). Источник: https://cloud.google.com/blog/products/ai-machine-learning/google-breaks-ai-performance-records-in-mlperf-with-worlds-fastest-training-supercomputer
Полученная модель содержит разметку не только разных типов нейронов и вспомогательных структур таких, как микроглия и кровеносные сосуды, но также 130 миллионов аксонов и дендритов каждого нейрона и ко всему прочему находится в открытом доступе (https://h01-dot-neuroglancer-demo.appspot.com/#!gs://h01-release/assets/library_state.json) так, что теперь любой желающий может насладиться путешествием в один кубический миллиметр этого завораживающего микрокосма. Хотя слово космос, на мой взгляд, тут не очень подходит, ведь по сравнению с многообразием и сложностью структур коры головного мозга, космос — это как пустыня по сравнению с джунглями.
Скриншот из онлайн браузера, предоставляющего доступ к модели (https://h01-dot-neuroglancer-demo.appspot.com/#!gs://h01-release/assets/library_state.json)
И в завершение небольшая арифметическая спекуляция на тему оцифровки сознания. Допустим, что для оцифровки сознания будет требоваться создание подобной 3д карты всех клеток мозга человека и связей между ними.
Посчитаем, очень грубо, необходимый объем памяти для его оцифровки. Дано: модель одного кубического миллиметра занимает 1,4 петабайта, средний объем головного мозга человека около 1260 кубических сантиметров, округлим в меньшую сторону до 1000, что равно миллиону кубических миллиметров. Тогда полная модель мозга будет занимать 1 400 000 = 1,4*10^6 петабайт.
Для хранения этой информации потребуется 1,4*10^6*500 = 750 миллионов жёстких дисков объемом 2 терабайта. Один такой жёсткий диск в форм-факторе 3,5 дюйма по физическому объему занимает примерно 380 кубических сантиметров. Получим, что объем массива жёстких дисков, требующийся для записи модели всего мозга будет занимать примерно равен 1,4*500*380 = 266 000 кубических метров пространства.
Для представления сколько это места, вспомните Ever Given — то огромное судно, заблокировавшее Суэцкий канал, оно вмещает около 20 тысяч контейнеров, каждый объемом около 70 кубометров что составляет 1 400 000 кубических метров. И если забить этот контейнеровоз жесткими дисками, без учета упаковок, то этого количества хватило бы на 5 таких наборов данных.
Не секрет, что большинство людей не используют полностью свои мозговые способности. Развенчивать миф о 10 % не будем, но очевидно, что возможности человеческого головного мозга выходят далеко за грани общепринятых норм. Сколько же данных способен он в себя поместить?
Последние открытия ученых из Института биологических исследований Солка говорят нам о том, что объем памяти нашего мозга в 10 раз больше, чем считалось ранее. Если приводить конкретные численные значения, то это около одного петабайта (1000 терабайт). Пару лет назад именно в такой объем субъективно оценивали весь Интернет.
Как ученые пришли к этому выводу
Чтобы вычислить «вместимость» человеческого мозга, они изучали ткань гиппокампа крысы и реконструировали ее в 3D для изучения центра памяти мозга. В процессе было обнаружено, что синапсы мозга могут изменять размеры, что влияет на объем памяти. Кроме того, в 10 % всех случаев синапсы были продублированы.
По результатам данного исследования ученые пришли к выводам, что существует минимум 26 категорий синапсов, а не несколько, как считалось ранее. Таким образом связи между нейронами становятся значительно сложнее — это как раз и выливается в существенное увеличение возможной емкости памяти мозга.
Конечно, большинство информации хранится не в мозге — он выступает лишь приемником-передатчиком и обработчиком потоков, в чем ему как раз и помогают синапсы (связи между нейронами). Последние не берутся из ниоткуда: их нужно создавать, в чем помогают различные тренировки мозга. Наука доказала, что человек, который заставляет свой мозг работать, способен создавать новые синапсы в течение всей жизни.
Как научиться создавать синапсы
Одним из лучших способов тренировки мозга являются простые упражнения, которые одновременно бьют по всем фронтам: памяти, вниманию и мышлению. Нам импонирует подход онлайн-тренажера для мозга «Викиум», который не просто развивает когнитивные способности до определенного уровня, как большинство тех же игр, а именно тренирует мозг, чтобы впоследствии он мог создавать синапсы без посторонней помощи.
Чтобы ощутить результат, достаточно заниматься всего по 15 минут в день — согласитесь, это совсем немного, и можно выделить это время на самосовершенствование. Упражнения представлены в игровой форме — так занятия не наскучивают через несколько дней, а завлекают настолько, что не надо лишний раз ставить себе напоминание — пройти тренировку хочется самому.
Сами занятия начинаются с тестирования ваших навыков — перед этим вас спросят, какие навыки вы хотите развить. Небольшое вводное тестирование поможет подобрать индивидуальную программу мозговых тренировок, не зря создатели «Викиум» опирались на исследования в области нейропсихологии.
Каждая тренировка длится около 15 минут и состоит из разминки и основных упражнений, что позволяет одновременно тренировать не только память, о которой мы говорили в самом начале, но и также мышление и внимание.
Можно учить языки
Да, задействовать полученные навыки можно и на лингвистическом поле. Чтобы это сделать, научный отдел «Викиум» выяснил, что есть прямые взаимосвязи между когнитивными способностями и речемыслительными процессами. На основе данных исследований были разработаны три уникальных тренажера для эффективного изучения иностранных языков (в том числе изучения родного языка).
Новый сервис называется «Викиум.ПОЛИГЛОТ» и включает три новых уникальных тренажера и особую настройку программы развития — «Писатель», «Журналист» и «Мастер слов». Они в свою очередь тренируют восприятие, словарный запас, вербальную логику и многое другое. Данный подход кардинально отличается от всех остальных языковых методик — советуем попробовать.
Дорогу синапсам!
Сервис «Викиум» действительно помогает развить когнитивные способности и эффективно изучить новые языки. Главная фишка сервиса — то, что на упражнения достаточно тратить всего по 15 минут в день, и полезным его найдут для себя люди любого возраста (недаром количество пользователей «Викиум» недавно превысило 2 миллиона человек). Часть тренировок и упражнений доступна бесплатно, для доступа к расширенным возможностям лучше обзавестись премиум-аккаунтом. Если же перед вами стоит цель выучить язык, можно отдельно купить курс «Викиум.ПОЛИГЛОТ». Помогите своим синапсам, и вскоре они ответят вам тем же.
Объем человеческой памяти равен одному квадриллиону байт
Человеческий мозг состоит приблизительно из 100 млрд нейронов, каждый из которых вступает в тысячи связей с другими. В конечном в головном мозге формируются около 100 трлн связей. Передача информации осуществляется за счет синапса — точки специализированного контакта нейронов. Когда два взаимодействующих участка нейронов одновременно активизируются, синапс становится более прочным. Выступающее образование на дендритах (ветвящийся отросток нейрона, необходимый для получения информации) — дендритный шипик — также увеличивается в размерах. Шипик обеспечивает контакт с другими клетками, а увеличивается для восприятия большего количества поступающих сигналов.
Шипики разного размера раньше сравнивались учеными с битами компьютерного кода, только вместо цифр 1 и 0 исследователи пользовались описательными характеристиками их размера.
Впрочем, о количестве всех возможным размеров шипика специалисты также не имели представления, ограничиваясь бытовыми понятиями «маленький», «средний», «большой».
Любопытное наблюдение заставило исследовательскую группу из Института биологических исследований Дж. Солка (Калифорния) пересмотреть существующие измерения. С полным описанием эксперимента и с текстом научной статьи можно ознакомиться в журнале eLife.
Изучая гиппокамп крысы (гиппокамп — это участок коры головного мозга, отвечающий за запоминание зрительных образов), ученые заметили, что один аксон (отросток нейрона, выступающий в роли кабеля-передатчика) может вступать в связь с двумя дендритными шипиками — принимающими информацию «антеннами». Исследователи предположили, что шипики будут принимать одинаковую информацию, так как она исходит от одного и того же аксона, а значит, они должны быть сходны по размеру и прочности. При различных характеристиках шипика информация, переданная от одного аксона, будет изменена.
Исследователи решили измерить объекты, формирующие синаптические связи. В результате оказалось, что шипики, воспринимающие информацию от одного аксона, различаются в размерах примерно на 8%. Всего ученые зафиксировали 26 вариантов величины шипика.
На основе этих данных исследователи заявили, что человеческая память может хранить информацию объемом около одного квадриллиона байт.
Квадриллион (1 000 000 000 000 000) байт без малого соответствует одному миллиону гигабайт. Для сравнения: средняя оперативная память компьютера составляет всего 8 Гб. В то же время каждому из нас прекрасно известно, что использовать память на 100% мы не можем: люди регулярно забывают о датах дней рождения своих друзей, школьники часами пытаются выучить наизусть стихотворение или запомнить параграф из учебника по истории.
При этом именно такая ситуация рассматривается как абсолютно нормальная, а вот людей с выдающейся памятью мы склонны характеризовать словом «феномен». Так, американец Ким Пик, ставший прототипом Рэймонда Бэббита из фильма «Человек дождя», обладал уникальной памятью:
ему удавалось хранить до 98% всей полученной информации.
Среди друзей Пик имел прозвище Kim-puter. В 2005 году в журнале Scientific American была опубликована статья, посвященная Киму Пику. Ученые предполагают, что феномен был вызван отсутствием мозолистого тела, соединяющего полушария мозга: нестандартные соединения нейронов в этом участке спровоцировали повышенные возможности использования памяти.
Если сейчас известно, насколько велики возможности нашей памяти, почему важные понятия и события продолжают из нее ускользать? На этот вопрос пытается ответить Пауль Ребер, исследователь проблем механизмов памяти в Северо-Западном университете (Эванстон, штат Иллинойс, США). Ученый не принимал участия в экспериментах исследовательской группы Института Солка.
«Емкость памяти не является проблемой — любой анализ количества нейронов приведет к осознанию огромного потенциала человеческого мозга. Но это неважно, поэтому наше восприятие мира проходит быстрее, чем фиксация образа в памяти», — комментирует ученый.
По мнению Ребера, окончательно практически невозможно подсчитать количество информации, способной храниться в человеческом мозге. Проблема заключается в том, что информации в разы больше, чем мы можем себе представить. В памяти каждый человек хранит не только факты, лица и важные навыки, но и основные функции, такие как говорение и движение, чувственное восприятие и выражение эмоций. Ученый уверен, что сейчас еще достаточно сложно перейти от вычисления силы синапсических связей до комплексного описания всех сложнейших мелких процессов между нейронами.
Тем не менее Робер высоко оценил работу своих коллег из Института Солка: «Данные экспериментов значительно увеличивают наши знания не только об объемах памяти, но, что более важно, они еще раз подтверждают, насколько сложно устроены механизмы человеческой памяти».
Полученные результаты уже можно использовать при создании энергосберегающих компьютеров, способных имитировать стратегии работы человеческого мозга при передаче данных. Результаты проведенного эксперимента помогут и в клинических исследованиях заболеваний головного мозга, вызванных нарушением нормального синапса.
Вообще, исследованиями памяти ученые занимаются довольно давно, и иногда такие исследования дают весьма интересные результаты. Например, в 2011 году Элизабет Мартин из Миссурийского университета (Колумбия) смогла установить, что пребывание в хорошем настроении прямо влияет на нашу забывчивость. Полное описание эксперимента приводится в журнале Cognition and Emotion. Участники исследования были поделены на две группы: одни смотрели комедийное шоу, другие — инструкцию по установке настила.
Результаты теста на запоминание комбинации цифр после просмотров видео показали, что с ним хуже справились те, кто смотрел развлекательную передачу.
Мартин уверена, что именно хорошее настроение заставляет нас забыть о важном звонке после веселой вечеринки.
Коллеги Элизабет Мартин, психологи из Иллинойского университета, полагают, что способность запоминать большой объем информации не так уж и полезна, особенно если вы занимаетесь творческой деятельностью. Ученые считают, что высокая способность к запоминанию развивает математическое мышление и снижает творческий потенциал. Исследование было опубликовано на сайте Ассоциации психологических исследований.
Гиппокамп – отросток внизу, похожий на улитку
Показаны различные клеточные структуры выделенные в результате обработки микрофотографий. Источник: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.05.29.446289v1.full
Источник: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.05.29.446289v1.full
Ферма тензорных процессоров Cloud TPU Pod, развивающая вычислительную мощность около 10^17 операций в секунду(1000 петафлопс). Источник: https://cloud.google.com/blog/products/ai-machine-learning/google-breaks-ai-performance-records-in-mlperf-with-worlds-fastest-training-supercomputer
