研究证实：大脑可储存的数据量几乎是此前认为的10倍

一项新研究证实，大脑储存信息的能力可能比此前认为的多近 10 倍。
与计算机类似，大脑的记忆存储以“位”来衡量，而它能容纳的位数取决于神经元之间的连接，即突触。历史上，科学家认为突触的尺寸和强度种类相当有限，这反过来限制了大脑的存储容量。然而，这一理论近年来受到挑战——新研究进一步支持了大脑可储存的信息量约为过去认知 10 倍这一观点。
在这项新研究中，研究者开发出一种高度精确的方法，用于评估大鼠大脑某区域内神经元之间连接的强度。这些突触构成学习与记忆的基础，因为脑细胞在这些节点上进行交流，从而储存并传递信息。
通过更好地理解突触如何增强与减弱以及变化的幅度，科学家更为精确地量化了这些连接能够储存的信息量。这项分析于 4 月 23 日发表于《神经计算》（Neural Computation）杂志，展示了这一新方法不仅能加深我们对学习的理解，还能加深我们对衰老以及侵蚀大脑连接之疾病的认识。
“这些方法触及了神经回路信息处理能力的核心。能够估计出可能被表征的信息量，是理解大脑执行复杂计算能力的重要一步。”未参与该研究的芝加哥大学神经生理学助理教授贾·余（Jai Yu）通过电子邮件告诉《生活科学》（Live Science）。
在人类大脑中，神经元之间有超过 100 万亿个突触。化学信使穿越这些突触释放，促进信息在整个大脑中的传递。当我们学习时，通过特定突触传递的信息会增加。这种突触“增强”使我们能够保留新信息。总体而言，突触会因其组成神经元的活跃程度而增强或减弱——这一现象称为突触可塑性。
然而，随着年龄增长或患上阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease）等神经系统疾病，我们的突触活跃度下降并随之减弱，导致认知表现下降以及储存和提取记忆的能力降低。
科学家可以通过观察突触的物理特征来衡量其强度。此外，一个神经元发出的信号有时会激活一对突触，科学家可以利用这些成对突触来研究突触可塑性的精确度。换言之，给定相同的信号，成对突触中的每一个是否会以完全相同的方式增强或减弱？
长期以来，测量突触可塑性的精确度以及任何给定突触能储存多少信息都被证明是困难的。新研究改变了这一状况。
为测量突触强度和可塑性，研究团队借助了信息论——一种理解信息如何在系统中传输的数学方法。这一方法还能让科学家量化突触间可传输的信息量，同时考虑大脑的“背景噪声”。
索尔克生物研究所（The Salk Institute for Biological Studies）计算神经生物学实验室主任、研究共同资深作者特伦斯·谢诺夫斯基（Terrence Sejnowski）通过电子邮件告诉《生活科学》（Live Science），这种传输的信息以比特计量，因此位数较高的突触比位数较少的突触能储存更多信息。1 比特对应一个突触以两种强度发送信号，2 比特则允许四种强度，依此类推。
团队分析了来自大鼠海马体的成对突触——海马体是大脑中在学习和记忆形成中起主要作用的区域。这些成对突触彼此相邻，并对相同类型和数量的大脑信号作出激活反应。团队确定，在相同输入下，这些成对突触增强或减弱的幅度完全相同——这表明大脑在调节特定突触强度时高度精确。
分析表明，海马体中的突触可以储存 4.1 至 4.6 比特的信息。研究者在早前一项针对大鼠大脑的研究中曾得出类似结论，但当时使用的是精确度较低的方法处理数据。未参与该研究的英国卡迪夫大学神经科学教授凯文·福克斯（Kevin Fox）通过电子邮件告诉《生活科学》（Live Science），新研究有助于证实许多神经科学家如今的假设——每个突触承载的信息远超 1 比特。
这些发现基于大鼠海马体中一个非常小的区域，因此尚不清楚它们如何推广到整只大鼠或人脑。余说，确定这种信息存储能力在大脑不同区域之间和不同物种之间如何变化，将会很有意思。
福克斯说，未来，该团队的方法还可用于比较大脑不同区域的存储容量，也可用于研究大脑单一区域在健康状态与疾病状态下的情况。