下次你忘记约会、放错钥匙或是记不起来某个人的名字,就不能再胡乱编个理由了:一项新的研究指出人脑的记忆容量达到 petabyte 等级,比起过去研究人员认为的数字高出十倍以上。

“petabyte”等级的容量可容纳两倍以上 13 年份的 HDTV 录像内容,或是美国人口的 DNA 数量。

这项由索尔克生物研究所(Salk Institute for Biological Studies)与合作单位共同进行的研究,希望揭开人脑为何如此有效使用能源,或许能藉此打造出兼具超级处理能力和低耗电量的计算机产品。

索尔克生物研究所教授,同时也是这项在《eLife》期刊上发表之研究报告共同资深作者的 Terry Sejnowski 表示:“这是一项令人震惊的讯息,不只对神经科学界,对于计算机科学界来说也具有重大意义,让我们对于人脑运作方式有了新的了解。”

突触的尺寸至关重要

研究人员研究脑细胞或神经元间传递讯号的突触来判断大脑记忆容量,突触的尺寸愈大愈佳:突触的尺寸决定了神经元的记忆容量,而尺寸较大的突触还有其它优点,象是更为强韧、能更稳定传递讯号。

研究团队使用老鼠脑部记忆中心的海马体来重建极为精细的 3D 立体数位图像,而身为计算神经科学界先驱者的 Sejnowski 称这个使用 GeForce GTX TITAN GPUs 建立的 3D 图像达到“史上最精密”的程度。

研究团队经由这具模型和电子显微镜,测量特定突触在尺寸上的差异性,进而确认出约26种突触尺寸类别,各突触类别的尺寸差距约 8%。

以计算机术语来说,约莫是各突触约 4.7 位元量的信息。过去神经科学家认为海马体各突触上的信息量只有 1 或 2 位元而已。

或许能打造出更强大、更省电的计算机

不过知道大脑具备庞大的储存同量,又产生出一个令人头痛的问题。突触在神经元间只传递了 10-20% 的讯息,而大脑还得有效运作。

“我们一直有个疑问,要是突触这么不可靠,大脑又是如何完成运算的?”索尔克生物研究所科学家,也是研究报告作者的 Tom Bartol 提出这个问题。

或许这个答案能解开此疑问:突触不断调整自己的尺寸,以回应收到的讯息,长期下来平均成功和失败的比例。

大脑使用的电量,跟一颗小灯泡差不多

Sejnowski 所谓的大脑“概率”策略或许能说明它令人讶异的能源使用效率,突触只有 10-20% 的时间在活动,大脑在其它时间就能储备能量,一名醒着的成人大脑消耗约20瓦的电力,相当于一个昏暗的小灯泡。

这些研究发现或许能发展出利用大脑缺点,却成功省电的计算机系统,“成为精准运算又省电的计算机跟大脑”Sejnowski 如是说。

这些计算机适用于需要庞大高效率处理能力,来进行影像分析或语音辨识的深度学习与人工神经网络。