Ученые часто утверждают, что человеческий мозг — самый мощный суперкомпьютер во Вселенной. Мы гордимся его способностью к творчеству, эмпатии и сложным рассуждениям. Но если учесть скорость обработки информации, то получается, что человек научился пользоваться этим инструментом не лучше, чем черепаха за рулем. В своей работе «Невыносимая медлительность бытия» исследователи ставят перед научным сообществом парадокс, который они сами называют самым большим необъяснимым числом в нейронауке.
Почему мы живем на скорости 10 бит/с?
На протяжении десятилетий ученые измеряли пропускную способность мозга человека в самых разных задачах. Результаты неизменно сходятся к одним и тем же цифрам:
- Набор текста. Опытная машинистка печатает 120 слов в минуту. С учетом избыточности английского языка (около 1 бита на символ) ее скорость — 10 бит/с.
- Слепая сборка кубика Рубика. Чемпионы тратят около 5.5 секунд на запоминание позиции (65 бит информации). В итоге получаем ~11.8 бит/с.
- Спортивная память. Запоминание колоды карт за 12.74 секунды (226 бит) дает скорость ~18 бит/с.
- Восприятие речи. Комфортная скорость лекции — 160 слов в минуту, что эквивалентно ~13 бит/с.
- Киберспорт. Даже в пылу сражения в StarCraft, где профессионалы совершают до 1000 действий в минуту, информационная насыщенность этих действий остается на уровне тех же ~10 бит/с.
Все эти данные из экспериментов и киберспортивных рекордов, указывают на удивительное постоянство. Человек — это система с пропускной способностью около 10 бит/с.
А теперь посмотрим на «железо», которое стоит за этой системой. К примеру, возьмем нашу периферическую нервную систему. Одна колбочка в глазу (фоторецепторная клетка сетчатки) передает около 270 бит/с. В глазу 6 миллионов колбочек. Их совокупная пропускная способность составляет около 1,6 гигабит/с.
Разрыв между тем, что мы можем воспринимать (1 600 000 000 бит/с), и тем, что мы осознанно обрабатываем (10 бит/с), равен 100 000 000.
Это число авторы научной статьи называют «числом просеивания» (Sifting Number).
Что такое бит и почему в этой статье мы говорим о пропускной способности мозга?
Прежде чем мы окончательно поразимся медлительности собственного мозга, необходимо понять параметр, которым мы эту медлительность измеряем.
Обычно бит рассматривают как единицу хранения данных, как в файле на диске. Но в контексте этой статьи бит — это единица измерения информационной пропускной способности и разрешения неопределенности, согласно теории математика и инженера Клода Шеннона (1948 год).
Например, возьмем классическую игру «20 вопросов». Вы загадываете предмет, а ваш оппонент пытается его отгадать, задавая вопросы, на которые можно ответить только «да» или «нет». Если каждый вопрос действительно делит множество возможных вариантов ровно пополам, то каждый ответ (да/нет) приносит ровно 1 бит информации, потому что он снимает неопределенность ровно наполовину.
Если мы знаем, что предмет может быть одним из миллиона вариантов, нам потребуется 20 вопросов, чтобы свести это множество к одному-единственному. 2 в 20-й степени — это как раз около миллиона. Если человеку требуется всего 2 секунды, чтобы пройти этот мыслительный процесс и загадать предмет, его скорость обработки информации составляет 10 бит в секунду. Двадцать бит, разделенные на две секунды, дают нам цифру, вокруг которой строится весь парадокс.
Но в реальности, когда мы говорим о нервной системе, все сложнее, чем просто ответы «да» или «нет». Нейроны передают информацию не только двоичными импульсами (есть импульс — нет импульса), но и изменением напряжения, частоты и точности сигналов.
Здесь Шеннон дает нам более заковыристый параметр. Информационную пропускную способность канала можно измерить, сравнивая полезный сигнал с шумом. К примеру, нейрон (например, колбочка в глазу, о которой писали выше), если бы он был идеальным прибором, то мог бы передавать бесконечно много градаций, но он «шумит» из-за случайных биохимических процессов.
Почему мы не замечаем этой медлительности?
Читатель может возразить: «Но я вижу мир во всех красках и деталях!». Это, как объясняют авторы исследования, иллюзия, которую они называют «субъективной инфляцией». В реальности острота зрения резко падает уже в нескольких градусах от центра взгляда. Мы думаем, что видим все четко, потому что можем мгновенно перевести взгляд на интересующий объект. Это как если бы у нас была видеокамера, которая передает гигапиксельную картинку, но процессор, способный распознать только одно лицо в кадре за раз.
А как же фотографическая память? Исследования показывают, что это миф. Если бы такие люди существовали, они бы выигрывали все чемпионаты по запоминанию. Даже знаменитый художник Стивен Уилтшир, способный по памяти нарисовать панораму города после короткого полета на вертолете, при детальном анализе работает со скоростью всего 4 бит/с.
Внутренний и внешний мозг
Этот парадокс заставляет предположить, что наш мозг работает в двух разных режимах:
- Внешний мозг — это сенсорные и моторные зоны. Они работают параллельно и с огромной скоростью (гигабиты в секунду). Это мир миллионов нейронов, каждый из которых «священен» и имеет свою функцию. Например, в сетчатке каждый из миллиона ганглиозных клеток смотрит на свой крошечный участок поля зрения.
- Внутренний мозг — это зоны, отвечающие за мышление, принятие решений и сознание. Они работают последовательно и невероятно медленно (10 бит/с). Именно здесь находится «горлышко бутылки» внимания, которое не позволяет нам следить за двумя разговорами одновременно или обдумывать несколько вариантов ходов в шахматах параллельно.
И здесь возникает главная загадка для нейробиологов. Для обработки гигабитов информации во «внешнем мозге» нужны миллиарды нейронов — это понятно. Но почему для обработки смехотворных 10 бит/с во «внутреннем мозге» требуется не меньшее количество нейронов? Ведь один нейрон коры сам по себе может передавать те же ~10 бит/с. Теоретически, всей нашей когнитивной деятельностью мог бы заниматься один-единственный нейрон.
Почему Neuralink не сделает нас сверхлюдьми
Илон Маск, анонсируя Neuralink, сетовал на то, что мы не можем общаться с компьютером быстрее, чем позволяют наши пальцы, и что нам нужен «высокополосный интерфейс» для симбиоза с ИИ.
Проблема не в пропускной способности кабеля, а в пропускной способности самого процессора. Для общения с ИИ нам бы вполне хватило телефона, скорость передачи данных в котором изначально проектировалась под человеческую речь.
Этот аргумент бьет и по нейропротезам. Попытки вернуть зрение слепым путем стимуляции сетчатки камерой с высоким разрешением провалились. Пациенты остаются слепыми, потому что их мозг просто не в состоянии обработать этот гигабитный поток. Гораздо эффективнее оказался бы интерфейс, который переводит визуальную сцену в речь: «Перед вами дверь, справа человек». Ведь именно эти 10 бит/с информации мы и используем для навигации.
Сколько же информации мы храним?
Если наша скорость входа — 10 бит/с, то сколько же всего информации может накопиться в мозге за жизнь? Даже если человек, как чемпион по запоминанию, впитывает информацию с предельной скоростью 24 часа в сутки на протяжении 100 лет, он накопит менее 4 гигабайт. Добавим сюда «встроенную» информацию из генома. Человеческий геном содержит около 3 миллиардов оснований, что дает примерно 0,8 гигабайта информации.
Вся информация, определяющая нашу личность и опыт, умещается на обычной флешке. При этом емкость синапсов мозга оценивается в 50 терабайт. Мозг в 10 000 раз более «вместителен», чем это необходимо для хранения всей полученной за жизнь информации. Это говорит о колоссальной избыточности и неэффективности его архитектуры с точки зрения хранения данных.
Причина в эволюционном наследии
Почему же наш «внутренний мозг» так медлителен? Авторы исследования предполагают, что это эволюционное наследие. Первые нервные системы развились у примитивных существ, которым нужно было решать всего одну задачу: плыть на запах еды. Нет смысла обрабатывать тысячи вариантов путей, когда ты находишься в конкретной точке пространства и времени. Мышление — это та же навигация, только в пространстве абстрактных понятий. И оно унаследовало ограничение своего древнего предка — строгую последовательность действий.
По сути, наше сознание — это интерфейс командной строки (10 бит/с), управляющий многопроцессорным суперкомпьютером (гигабиты/с). И, похоже, эволюция пока не нашла способа сделать этот интерфейс более быстрым и многозадачным.
В итоге, остается больше вопросов, чем ответов. Зачем мозгу нужно так много нейронов, чтобы думать так медленно? И пока мы не поймем это, любые разговоры о прямой загрузке сознания в компьютер или слиянии с ИИ остаются не более чем научной фантастикой.
Еще статьи по этой теме: