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.
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.
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».
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.
Out of memory: может ли в голове человека закончиться память?
Где и как хранятся данные?
Человеческий мозг — штука куда более сложная, чем жёсткий диск. Здесь вся поступающая информация обрабатывается и хранится благодаря нервным клеткам — нейронам, которых в мозге примерно сто миллиардов. Каждый из нейронов вступает в связь с другими при помощи синапсов — своеобразных проводочков, формируя около ста триллионов таких связей.
Мы точно не знаем, как именно информация сохраняется в мозге. Согласно самой популярной теории коннекционизма, воспоминания распределяются по всем нейронам. Иначе говоря, нет какого-то отдельного участка, который отвечает за конкретные воспоминания. В одном и том же нейроне могут храниться различные воспоминания, в то же время они могут находиться одновременно и в других нейронах. Если говорить языком информационных технологий, информация в мозге не структурирована по папкам. По этой причине мозг нельзя сравнивать с жёстким диском: там каждый бит информации относится строго к одному файлу.
Каждый раз информацию из мозга мы извлекаем по-разному, т.е. она не хранится в застывшем виде, а извлекается с творческим преображением и всякий раз отличается от оригинала.
Какой объем хранилища у памяти?
В 2016 году американские учёные провели эксперимент: они создали компьютерную модель гиппокампа — участка коры головного мозга, отвечающего за переработку памяти. Учёные выяснили, что в каждом нейроне может храниться около 5 бит информации. В результате подсчётов получилось, что наш мозг вмещает от 3 до 8 петабайт — это в тысячу раз меньше, чем весь объем информации в Интернете, но всё же много, очень много. Чтобы понять, насколько велик объем информации в одном петабайте, нужно 2000 лет непрерывно проигрывать музыкальные файлы в формате MP3. Эти данные весьма условные, ведь мы не можем знать наверняка, сколько места в памяти занимают воспоминания.
Можно ли переполнить мозг знаниями?
Нет, невозможно. Во-первых, по причине гигантского объёма хранилища. Теоретически перегрузить память можно, если поглощать новую информацию 300 лет, а до этого ещё никто не дожил. Во-вторых, информация, которая хранится в мозге, имеет свойство стираться за ненадобностью. Вот почему мы после экзамена очень быстро забываем о том, что так долго и усердно зубрили, — мозгу это просто не нужно. Чтобы помнить то, что вы учили, придётся регулярно повторять выученный материал или постоянно применять на практике приобретённые знания.
Чтобы знаний было больше, а память не «простаивала», специалисты рекомендуют учиться чему-то новому на протяжении всей жизни. Один из самых полезных для нашей памяти навыков — программирование, а один из самых удобных способов обучения — онлайн курсы. И то и другое можно найти здесь: https://itvdn.com
Интересная деталь: однотипная информация имеет свойство смешиваться. Например, запоминая цитаты или стихи, мы часто забываем и путаем авторство. В то же время, радикально разные предметы (крокодил — зелёный и с зубами, солнце — круглое, горячее и жёлтое) вы не спутаете никогда. Чем сильнее различается информация, тем меньше места в памяти отводит на неё мозг. В то же время, для запоминания однотипной информации мозгу надо тратить больше места, вот почему не рекомендуется изучать несколько языков одновременно: мозг очень быстро начнёт их путать.
Синдром саванта: почему некоторые люди имеют суперспособности?
Савантами называют людей, которые обладают феноменальными способностями запоминать огромные объемы информации — от цифр до деталей объектов. Нам кажется, что эти люди имеют какой-то исключительный мозг.
На самом деле, сами уникумы клянутся, что они — самые обыкновенные люди, просто они долго и упорно тренировали свою память. Некоторые из савантов рассказывали о том, что у них была ужаснейшая память до того, как они начали тренировать её, пользуясь методом ассоциаций.
Вторая причина появления сверхспособностей — травматические ситуации и сильные стрессы, которые довелось пережить суперлюдям. Бытует мнение, что человек использует память лишь на 10%. Это не так: мы используем её на все 100%, однако 90% информации реализуется только в экстремальных ситуациях или в моменты сильного стресса. Вот почему у переживших травмы или стрессы савантов появились суперспособности к запоминанию.
Оптимизация процесса: как улучшить память
Люди, считающие, что их память перегружена информацией, на самом деле не умеют ею правильно пользоваться. Их мозг напоминает дамскую сумочку: масса нужных предметов, но найти их в бардаке просто невозможно. Только те, кто постоянно работает над собой, имеют хорошую «навигацию» и, соответственно, их память работает лучше.
Есть несколько любопытных и действенных способов улучшить память:
При помощи ассоциаций и образов действительно можно запомнить сложную техническую информацию, но это не освобождает вас от повторений. Чем чаще вы будете воспроизводить эти образы, тем легче они впоследствии будут запоминаться, перекочевав из краткосрочной в долгосрочную память.
Итак, ограничение состоит лишь в сроке нашей жизни и «скорости загрузки» информации (мозг не в состоянии обрабатывать быстро все раздражители из внешней среды), а не в объёме памяти. Так что можете учиться спокойно: память в мозге вряд ли закончится.
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.
