сколько терабайт памяти в человеческом мозге
Какой объем памяти у нашего мозга и может ли она закончиться
За свою жизнь наш мозг обрабатывает огромное количество информации, значительную часть которой сохраняет в виде воспоминаний. Если у этого органа и есть предел в объеме памяти, то до него нам точно еще очень далеко
Человеческий мозг состоит примерно из 86 миллиардов нейронов. Каждый нейрон образует около 1000 связей с другими нейронами — а это сто триллионов связей. Если бы каждый нейрон мог хранить только одно воспоминание, недостаточный объем памяти и правда был бы проблемой. Тогда у человека было бы всего около нескольких гигабайт постоянной памяти — довольно мало для записи всей нужной информации.
Но нейроны могут объединяются таким образом, что каждый из них одновременно задействовать в хранении нескольких воспоминаний, экспоненциально увеличивая объем памяти мозга до примерно 2,5 петабайт (10 15 байт). Для сравнения, если бы ваш мозг работал как цифровой видеомагнитофон, соединенный с телевизором, этого объема памяти было бы достаточно, чтобы вместить три миллиона часов телевизионных шоу. Вам придется оставить телевизор работать непрерывно более 300 лет, чтобы полностью занять такое вместительное хранилище.
Точный объем памяти нашего мозга трудно вычислить. Во-первых, пока нет методов для точного измерения этого показателя. Во-вторых, некоторые воспоминания содержат больше деталей и, таким образом, занимают больше места, а другая информация забываются и, таким образом, освобождает пространство. Кроме того, довольно сложно отделить кратковременную память от долговременной, поэтому непонятно, сколько информации на самом деле наш мозг может сохранять в течение длительного времени.
Ответить на этот вопрос довольно трудно, отчасти потому, что измерение объема памяти человеческого мозга отличается от измерения памяти в компьютере — отчасти из-за проблемы Пруста. Человеческая память не так проста, как двоичный компьютерный код. Она представляет собой сложную систему из множества связанных друг с другом синапсов, принимающих и посылающих сигналы. Это гораздо труднее поддается количественной оценке.
В мозге помещается 1 петабайт информации
Объём памяти в человеческом мозге оказался невероятно большим. Эту тему исследовали американские неврологи: авторы научной работы Терри Сейновски (Terry Sejnowski) из института биологических исследований Солка и Кристен Харрис (Kristen Harris) из университета Техаса в Остине, с коллегами. Их статья опубликована в журнале eLife.
Сейновски, очевидно, имеет в виду только текстовую информацию. Но даже в этом случае такая оценка очень впечатляет.
В своей работе исследователи построили 3D-модель ткани гиппокампа крысы, на основе фактических данных. И в этой модели обнаружилось кое-что странное. Синапсы — соединения между нейронами — оказались продублированы в 10% случаев. То есть там были не одиночные, а парные синапсы.
Чтобы замерить разницу между этими продублированными синапсами, группа Сейновского провела реконструкцию связности, форм и объёмов вещества мозга крысы на наномолекулярном уровне, используя современные микроскопы и вычислительные алгоритмы.
«Мы были поражены, когда обнаружили, что разница в размере синапсов из пар оказалась очень маленькой, всего лишь около 8%, — говорит Том Бартол (Tom Bartol), один из учёных. — Никто не думал, что разница окажется настолько маленькой. Это такой трюк от природы».
Открытие, что разница в размере синапсов может составлять всего 8%, означает возможность существования 26 категорий размеров синапсов (по силе синаптической связи), а не всего нескольких, как считалось раньше. Это значительно повышает «разрядность» системы, что означает существенное увеличение потенциального объёма хранимой информации (примерно 4,7 бита на синапс). Результаты исследования демонстрируются в видеоролике.
Как работают синапсы
«Грубо говоря, здесь на порядок более высокая точность, чем кто-либо мог представить, — объясняет Сейновски. — Последствия это открытия могут быть серьёзными. Под видимым хаосом и беспорядком вещества мозга находится высокая точность и аккуратный порядок, который раньше был скрыт от нас».
Расчёты учёных показывают, что синапсы изменяют свой размер и свойства, в зависимости от передаваемого сигнала. Примерно 1500 передач нейроимпульса вызывают изменения в маленьких синапсах (занимает около 20 минут), в то время как пару сотен передач (1-2 минуты) изменяют большие синапсы.
Другими словами, каждые 2-20 минут синапсы в мозге изменяют размер, настраиваясь на передаваемый сигнал.
Сделанные открытия в работе синапсов могут найти применение и в информатике, в разработке сверхточных и энергоэффективных систем, использующих техники глубинного обучения (deep learning) и нейросетей. «Этот трюк мозга определённо поможет проектировать лучшие компьютеры, — сказал Сейновски. — Использование вероятностной передачи оказалось не менее точным и намного более энергоэффективным как в компьютерах, так и в мозге».
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.
Источник: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.05.29.446289v1.full
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.
Сколько данных способен вместить наш мозг?
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.