Объём памяти человеческого мозга часто пытаются выразить в терабайтах или петабайтах. Такое сравнение помогает представить масштаб, но не превращает мозг в накопитель с известной ёмкостью. Нашумевшая оценка возникла из исследования точности синапсов в крошечном участке гиппокампа крысы. Учёные не измеряли все воспоминания человека и не обнаруживали в нейронах цифровые файлы.
Что именно исследовали нейробиологи
Работа Тома Бартола и его коллег была опубликована в журнале eLife в 2015 году. Исследователей интересовала вариабельность синаптической пластичности: насколько точно биологический синапс способен поддерживать определённую силу связи при постоянном молекулярном шуме.
Для этого авторы использовали трёхмерную реконструкцию небольшого объёма нейропиля области CA1 гиппокампа крысы, полученную с помощью серийной электронной микроскопии. Гиппокамп участвует в формировании воспоминаний, но он не представляет весь мозг и не хранит память в одиночку.
Особое значение имели пары контактов, в которых один аксон образовывал два синапса с одним дендритом на разных шипиках. Предполагалось, что такие контакты переживали сходную историю активности. Размеры их синаптических областей и головок шипиков оказались очень близкими. По разбросу измерений исследователи оценили точность настройки силы связи.
Откуда взялись 26 уровней и 4,7 бита
В исследованном образце размеры дендритных шипиков различались примерно в 60 раз. С учётом измеренной вариабельности авторы рассчитали не менее 26 различимых интервалов силы синапса. Чтобы закодировать выбор одного из 26 состояний, требуется приблизительно 4,7 бита: это результат логарифмического пересчёта числа уровней.
Цифра относится к точности представления силы одного синапса в модели. Она не означает, что отдельный контакт содержит фрагмент биографии объёмом 4,7 бита или что информацию можно прочитать из него как из ячейки памяти компьютера.
Авторы назвали полученное значение нижней границей количества информации, которое может быть представлено синаптической силой при принятых допущениях. Одновременно работа задаёт верхнюю границу наблюдаемой вариабельности пластичности: чем меньше разброс между сопоставимыми контактами, тем точнее система различает состояния.
Почему в новостях появился петабайт
После публикации результат экстраполировали на огромное число синапсов в человеческом мозге. Так возникло сравнение возможной суммарной ёмкости с петабайтным масштабом. Это иллюстрация порядка величины, а не прямое измерение мозга человека.
Для такой экстраполяции приходится предположить, что оценка из малого участка гиппокампа крысы применима к разным типам синапсов и отделам человеческого мозга. Само исследование этого не доказывает. Авторы прямо указывали на необходимость повторить измерения в других областях и на других материалах.
Некорректно и утверждение, будто прежняя наука отводила всему мозгу только один-два терабайта. В статье речь шла о старом упрощённом допущении, что синапс имеет лишь один-два бита, то есть очень небольшое число устойчиво различимых уровней силы. Это не то же самое, что общепринятая паспортная оценка человеческой памяти.
Почему мозг нельзя сравнить с жёстким диском напрямую
На цифровом накопителе бит имеет заданное состояние, адрес и правила считывания. Данные можно скопировать без изменения оригинала, а свободное место выражается фиксированным числом байтов. В нервной системе сила связи меняется под действием активности, а информация распределена между множеством клеток и контактов.
Воспоминание не лежит в одном синапсе готовой записью. Его воспроизведение связано с работой нейронных ансамблей, контекстом и текущим состоянием системы. Один и тот же синапс может участвовать в нескольких сетевых процессах, поэтому простое сложение всех его возможных уровней не сообщает, сколько событий, лиц или навыков способен запомнить человек.
Число синапсов также не постоянно. Связи укрепляются, ослабевают, возникают и исчезают. Это поддерживает обучение, но не позволяет заключить, что память безгранична или что новая информация никогда не конкурирует со старой. Забывание, интерференция и ограничения внимания существуют, хотя их нельзя описать сообщением «диск заполнен».
Зачем синапсу временное усреднение
Синаптическая передача подвержена случайным колебаниям. По расчётам авторов, наблюдаемая точность требует усреднять сигналы на протяжении нескольких минут. Такой механизм помогает отличать устойчивую историю активности от единичного шумового события.
Из этого результата нельзя напрямую вывести, почему конкретное воспоминание хранится годами или сколько повторений требуется для запоминания. Долговременная память включает процессы на разных уровнях — от молекулярных изменений до перестройки сетей. Исследование eLife отвечало на более узкий вопрос о точности синаптической силы.
Что работа действительно изменила
Главный вывод состоит не в сенсационном объёме хранилища, а в высокой точности биологической системы. Морфологически сопоставимые синапсы различались меньше, чем можно было ожидать, а расчёт дал по меньшей мере 26 различимых уровней вместо грубой модели с двумя состояниями.
Это важно для моделей обучения и энергетической эффективности мозга. Чем точнее синапсы регулируют силу при шумной передаче, тем больше состояний может использовать нервная сеть без цифровой жёсткости компьютера. Но числовая модель остаётся моделью, ограниченной образцом и допущениями.
Читайте также: Как молекулярные механизмы связаны с формированием памяти
Поэтому на вопрос о том, сколько гигабайт в человеческом мозге, нет единственного научного ответа. Значение 4,7 бита описывает различимые уровни силы синапса в конкретном исследовании, а петабайт служит наглядной экстраполяцией. Эти цифры раскрывают точность синаптической пластичности, но не устанавливают предел человеческих воспоминаний.