Человеческий мозг способен хранить один петабайт данных — эквивалент всех когда-либо созданных фильмов в HD-качестве.
Наши воспоминания и мысли рождаются из сложных паттернов электрической и химической активности в мозге. Ключевую роль в этой активности играют синапсы — точки соединения, где ветви нейронов взаимодействуют подобно электрическим проводам. В синапсе аксон одного нейрона соединяется с дендритом другого. Через этот контакт нейротрансмиттеры передают сигналы, инструктируя принимающий нейрон передать электрический импульс дальше. Удивительно, но каждый нейрон может формировать тысячи таких соединений.
Подобно компьютерам, мы измеряем объем памяти мозга в «битах», и количество битов, которое он может хранить, зависит от количества и силы его синапсов. Стоит отметить, что мозг — это аналоговая система. Он обрабатывает информацию параллельно и непрерывно, в отличие от цифровых систем, работающих с дискретными значениями. Поэтому «бит» (минимальная единица цифровой информации) в данном случае является неидеальной аналогией для описания хранения информации в биологической системе. Тем не менее, он служит цели оценки информационной емкости с помощью знакомой нам меры.
Ранее считалось, что человеческие синапсы имеют ограниченное количество размеров и степеней силы. Однако недавние исследования показывают обратное. Оказывается, синапсы, которые ранее считались имеющими узкий диапазон возможных конфигураций, на самом деле гораздо сложнее.
Это означает, что емкость человеческого мозга для хранения информации может быть почти в десять раз больше, чем предполагалось ранее.
Новые открытия о силе синапсов и механизмах памяти
Группа исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Института Солка разработала высокоточный метод оценки силы синапсов в мозге крысы. Эти синапсы, через которые клетки мозга общаются и хранят информацию, играют решающую роль в обучении и памяти. Понимая, как синапсы усиливаются и ослабевают, ученые точно определили информационную емкость этих соединений.
В человеческом мозге существует более 100 триллионов синапсов, соединяющих нейроны. Эти синапсы обеспечивают передачу информации по всему мозгу путем высвобождения химических мессенджеров. Когда мы учимся, определенные синапсы укрепляются, что позволяет нам сохранять новую информацию. Этот процесс известен как синаптическая пластичность.
Когда нейроны «общаются», они делают это с разной «громкостью» — одни нейроны «шепчут» друг другу, в то время как другие «кричат». «Громкость» синапса, или сила синаптической связи, непостоянна; она меняется как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе. Синаптическая пластичность — это и есть изменение силы синаптической связи.
Однако старение и неврологические заболевания, такие как болезнь Альцгеймера, могут ослаблять синапсы, снижая наши когнитивные способности. Вот почему подобные исследования так важны: они могут помочь ученым разработать новые методы лечения, которые смогут замедлить или даже обратить вспять нейродегенеративные заболевания, от которых страдают миллионы пациентов по всему миру. Однако измерение силы синапсов традиционно было сложной задачей.
Команда проанализировала пары синапсов из гиппокампа крысы — области мозга, связанной с обучением и памятью. В новом исследовании используется метод, основанный на теории информации, который позволяет ученым количественно оценить, сколько информации могут хранить и передавать синапсы. Это означает, что для оценки количества битов, которые могут хранить синапсы, был применен подход, обычно используемый для компьютеров. Было обнаружено, что эти пары синапсов реагировали на один и тот же тип и количество сигналов мозга, регулируя силу синаптической связи.
Текущий и будущий потенциал
В конечном счете, этот анализ показал, что синапсы гиппокампа могут хранить от 4,1 до 4,6 бит информации. Ранее ученые считали, что каждый синапс может хранить один бит. В целом это означает, что человеческий мозг может хранить в десять раз больше информации, чем считалось, то есть не менее петабайта — это эквивалентно 500 миллиардам DVD-дисков или всем когда-либо снятым фильмам в высоком разрешении.
Хотя упомянутая работа посвящена небольшой части мозга крысы, будущие исследования могли бы изучить, как емкость хранилища информации варьируется в зависимости от областей мозга и видов. Этот метод также может быть использован для сравнения здорового и больного мозга, что даст представление о состояниях, влияющих на когнитивные функции.
В 2016 году исследователи из Солка пришли к аналогичным выводам. Новые данные подтверждают эту первоначальную оценку. Тогда исследователи также сделали еще одно важное открытие: существует как минимум 26 категорий размеров синапсов, а не несколько, как считалось ранее.
Результаты проливают свет на удивительную эффективность мозга. Несмотря на свою сложность, бодрствующий мозг взрослого человека потребляет всего около 20 Вт энергии, что сравнимо с очень тусклой лампочкой. Эти открытия могут вдохновить разработчиков компьютеров на создание высокоточных и в то же время энергоэффективных компьютеров. Что может быть особенно полезно для «глубокого обучения» и искусственных нейронных сетей, повышая их возможности в таких областях, как распознавание речи, идентификация объектов и языковой перевод.
Результаты исследования опубликованы в журнале Neural Computation.
Читайте также: Раскрывая скрытую сложность человеческого мозга
