Пересчитали память: мозг хранит в 1000 раз больше информации, чем думали

Человеческий мозг ежедневно выполняет триллионы вычислительных операций, потребляя при этом не больше энергии, чем лампочка. Спустя десятилетия исследований ученые так и не могли до конца понять, как самому важному органу в нашем теле удается хранить колоссальные объемы информации и обрабатывать их со столь невероятной эффективностью. Новое исследование предлагает неожиданное объяснение этим парадоксам и пересматривает объем человеческой памяти. Работа опубликована в журнале National Science Review.

Как устроена память

Десятилетиями исследователи прослеживали, как реагирует один нейрон, как сигнал проходит через синапс и как различные области мозга связаны друг с другом. Это заложило фундамент современных нейронаук, но так и не дало ответа на вопрос, почему мозг столь экономен в потреблении энергии. Профессор Нанкинского университета аэронавтики и астронавтики Ваньлинь Го, всю жизнь изучавший физику материалов и энергии, предложил принципиально новый подход. Ключевая идея заключается в том, чтобы перестать рассматривать нейроны поодиночке. Вместо этого ученые решили проанализировать целую группу клеток как единую рабочую систему и понять, на что она способна.

Чтобы изучить группу клеток мозга как одно целое, команда создала упрощенную цифровую модель нейрона, отражающую базовую форму и электрическое поведение реальной клетки. Множество таких цифровых нейронов сгруппировали в шар. Когда исследователи запустили компьютерную модель, кластеры производили устойчивые электрические ритмы, повторяющиеся длинными циклами. В этой модели память распределена, а не локализована. Информация заключается не в конкретной клетке, а в уникальной последовательности работы нейронов в кластере.

Используя инструменты теории хаоса и фрактальной геометрии, ученые описали, как нейроны создают такие богатые и стабильные узоры. Новый подход кардинально меняет прежние оценки объема памяти. Если раньше ученые суммировали статичные состояния отдельных синапсов, то теперь новая модель предсказывает, что емкость человеческого мозга составляет около 7,5 миллиардов гигабайт. Это примерно в тысячу раз больше общепринятых оценок.

Вычислительная мощность мозга и будущее ИИ

Радикальный пересмотр касается и вычислительной мощности мозга. Модель оценивает ее на уровне 78 тысяч высокопроизводительных видеокарт. При этом, как показывают расчеты, обработка информации в живой ткани обходится всего в 1,26 раза дороже теоретического предела Ландауэра — жесткого термодинамического минимума, необходимого для стирания одного бита информации. Это соответствует КПД почти в 79 процентов. Для сравнения, лучшие современные чипы для искусственного интеллекта расходуют примерно в миллиард раз больше энергии, чем этот предел.

Открытие дает важные ориентиры инженерам, создающим нейроморфные процессоры — микросхемы, устройство которых копирует структуру и работу живого мозга. Вместо того чтобы использовать энергоемкие тактовые генераторы с высоким напряжением, будущие конструкции смогут опираться на коллективные колебательные ритмы, подобные тем, что описаны в исследовании.