Почему мы не можем использовать мозг на 100% в определенный момент?

Широко цитируемая цифра «10% за раз» на самом деле завышает одновременную активность мозга на порядок. Как показано Lennie 2003 (Current Biology) ,

количество нейронов, которые могут быть существенно активны одновременно

возможно, всего 1% нейронов головного мозга из-за высокой метаболической стоимости спайков . Как правило, метаболические затраты являются основным фактором, определяющим активность мозга . Это, в свою очередь, влечет за собой даже

менее 10% коры могут быть активны вообще

, чтобы снова процитировать Ленни. Это число, полученное для людей, ниже, чем для других животных, которые способны одновременно поддерживать большую часть нейронов своего мозга. Это означает, что крысы и хомяки используют больше своего мозга, чем люди.

Как это ни парадоксально, самые высокие метаболические затраты связаны с ингибирующей активностью. Кроме того, нейроны ограничивают свою собственную скорость возбуждения через рефрактерные периоды. В качестве лучшего примера несостоятельности этого тормозящего контроля над чрезмерными всплесками рассмотрим эпилептические припадки, которые соответствуют предельной синхронизации нейронной активности, в некотором смысле сверхактивации мозга.
Я думаю, учитывая, что два примера мозга, демонстрирующие более высокую одновременную активность, чем мозг здорового человека, — это 1. мозг крысы, 2. эпилептический мозг, становится очевидным, что увеличение общей активности по своей сути не улучшит функцию мозга.

Далеко не являясь единым органом, выполняющим единую однородную функцию, мозг на самом деле представляет собой несколько долей, и каждая доля представляет собой как бы отдельный орган, выполняющий дюжину функций . Иными словами, мозг — это не «мыслящая машина», а набор компьютеров, приборных панелей самолета, радаров и гидролокаторов подводной лодки, банков памяти и систем резервного копирования Нью-Йоркской фондовой биржи. Биржа и все банки на Уолл-Стрит, и автоматические самобалансирующиеся датчики, из-за которых Segway выглядит слабым, и еще кое-что.

Итак, если все нейроны во всех отдельных долях мозга срабатывают одновременно (что и означает 100%-ное использование мозга), это означает, что что-то идет очень и очень неправильно.

Кроме того, мозг спроектирован с учетом избыточности . Он НЕ создан для того, чтобы стрелять одновременно, потому что некоторые аспекты мозга подобны плану А, плану Б и плану С; Если план А терпит неудачу, он запускает план Б, а если он терпит неудачу, план С. Запуск всех сразу лишает цели резервирования.

Кроме того, некоторые другие аспекты работы мозга можно сравнить с многоступенчатой ​​ракетой, где ступени А, В и С запускаются последовательно, а не одновременно. Последовательная обработка жизненно важна для различных функций мозга.

В отличие от компьютера, схема которого независима от информации (она может представлять что угодно цифровое), нейронные сети (как биологические, так и искусственные) этого не делают. Организация нейронов (их связи и сила этих связей) определяет, что они представляют и как они обрабатывают информацию. Таким образом, зрительная кора не может быть задействована для обработки звука, когда ваши глаза закрыты, потому что зрительная кора способна выполнять только функцию обработки визуальной информации (что сильно отличается от функции графического процессора).

Благодаря нейропластичности зрительная кора может (при интенсивной тренировке в течение длительного периода времени) на самом деле задействоваться для других функций (включая обработку звука), например, у слепых людей, но тогда это становится единственной функцией, которую она выполняет, т. е. нейропластичность не работает. не дают мозгу возможности переключения контекста, как это делают компьютеры.

Нейроны чрезвычайно дороги в производстве, обслуживании и использовании (Laughlin et al, 1998; Stone 2018). Половина энергетического бюджета ребенка и пятая часть энергетического бюджета взрослого человека требуется только для того, чтобы поддерживать работу мозга (Sokoloff, 1989; Levy and Baxter, 1996). И у детей, и у взрослых половина энергетического бюджета мозга используется для обработки нейронной информации, а остальная часть используется для основного обслуживания (Attwell et al, 2001). Высокая стоимость использования нейронов объясняется тем фактом, что только 2-4% из них активны в любой момент времени (Lennie, 2003). Я подозреваю, что если бы все нейроны могли быть активны одновременно, то огромное количество требуемой энергии, вероятно, привело бы к сварке мозга.

использованная литература

Аттвелл, Д. и Лафлин, С.Б. Энергетический баланс для передачи сигналов в сером веществе головного мозга. J Церебральный кровоток и метаболизм, 21(10):1133–1145, 2001.

Лафлин, С.Б., де Рюйтер ван Стивенинк, Р.Р., и Андерсон, Дж.К. Метаболическая стоимость нейронной информации. Nature Neuroscience, 1(1):36–41, 1998.

Ленни, П. Стоимость корковых вычислений. Текущая биология, 13: 493–497, 2003.

Леви, В.Б. и Бакстер, Р.А. Энергоэффективные нейронные коды. Нейронные вычисления, 8(3):531–543, 1996.

Соколов Л. Кровообращение и энергетический обмен головного мозга. Основы нейрохимии, 2:338–413, 1989.

Стоун, СП. Принципы теории нейронной информации: вычислительная нейронаука и метаболическая эффективность. Sebtel Press (опубликовано 8 июня 2018 г.).

Я думаю, что проблема с вашим вопросом в том, что мы не «используем» наш мозг. Похоже, что наш мозг имеет разные модели деятельности, в разных областях, в разное время, и, насколько нам известно, все эти факторы определяют наше восприятие окружающей среды, нашу реакцию и, возможно, наши мысли и идентичность. («мы» в вашем вопросе).

Поскольку нет «мы» за пределами мозга, которые могут решить, активировать или нет ту или иную область мозга, на самом деле это не ответ на ваш вопрос.

Теперь ваш вопрос можно было бы переформулировать так: « почему мозг не активируется на 100% в любой момент времени » .

Под активацией обычно говорят о потенциалах действия, которые вырабатываются нейронами. Это считается основным способом передачи информации друг другу двумя нейронами. Вы можете рассматривать эти потенциалы действия как двоичный код (хотя это, вероятно, более сложно, см., например, нейромодуляцию ). В этом примере потенциал действия равен 1, а потенциал действия равен 0. Если нейроны не активируются, у вас есть только 0, который не передает информацию другим нейронам (действительно, вы можете упростить этот сигнал до 0 x прошедшее время). ). С другой стороны, если все нейроны срабатывают в одно и то же время, вы также не передаете информацию (это можно упростить, умножив на 1 прошедшее время). Единственный способ передать информацию, и, как вы, наверное, поняли, я говорю о теории информации .Способ состоит в том, чтобы создать смесь между нулем и 1, что в нашем примере представляет собой серию потенциалов действия и отсутствие потенциалов действия. В вашем примере это было бы похоже на то, как если бы в ЦП все транзисторы активировались одновременно. У вас нет переданной информации.

Другим примером может быть собрание людей в комнате. Если никто не говорит, очевидно, что информация не передается. Но если все говорят одновременно, они не понимают друг друга.

В мозгу активация каждого нейрона может произойти в определенных областях. Это называется эпилепсия, и она не совсем функциональна.

Таким образом, в мозгу возможна 100-процентная активация, но она неэффективна с вычислительной точки зрения, поскольку не производит информацию.