人脑的容量是多少?

astin

  尽管最大的电脑的记忆容量是1，000，000，000，000个字节（10的12次，即方），人脑的记忆容量的字节数则大到10后面跟8432个零。研究人员说，记忆是自然智慧的基础，而人脑的记忆容量至今还是个谜，因为没人能建立合适的计算模型将其测算出来。人脑中神经元的数量是已知的，大约为1000亿个

-------------------------------以下是转来的有关人脑的容量知识-----------------------------目前的生物化學對於人腦的記憶儲存機制還不是很清楚啦，不過要談到人腦的記憶機制，首先就得看一下人腦是如何處理訊息的。

　　人腦處理訊息的模式理論上可以算是數位 （digit） 的形式，因為神經衝動（Nerve impulse） 是一種全有全無 （All or none： 這在前幾封信的學長有提到過） 的方式，也就是神經電位有所謂的閾值，這剛好符合數位處理的 0 與 1，在某個神經電位之下的電位被解釋成 0 （or 1），而其上的值則被解釋成 1 （or 0）。

　　既然神經衝動是屬於數位方式，但是，人的腦部是否就和電腦一樣呢? 答案很明顯，當然不是。 現在讓我們將角度放在人腦和電腦的單位層次，來比較看看神經元 （Neuron） 和電晶體 （transistor） 的差異。

　　一般來說，transistor 有所謂的輸入 （Input） 和輸出 （Output） 端 （end），如果我記得沒錯的話 （畢竟不是電機科系的，說錯還希望前輩指正），在各個logic 下的 transistor 其大多只有兩個 Input end，一個 Output end，和
其它 transistor 以極為有序的平面網路 （2-D network） 結構相連在一起，構成 AND，OR，XOR....等邏輯運算和 ADD，SHIFT.... 等算數運算，而構成這些單元後，這些單元的功能就此限制住了，沒辦法再修改，亦及 ADD 就是ADD，不能變成 AND....。

　　可是 neuron 呢? 以一般最常見的 neuron 來考慮，有所謂的樹突 （dendrite）和軸突 （axon） 分別處理 Input 和 Output 的訊號。 和 transistor 相似的，neuron 的 axon 通常只有一個，可是 dendrite 呢? 平均在十萬以上，再加上 neuron 和 neuron 之間是屬於亂序的立體網路 （3-D network），這使得 neuron雖然也是處理 0 與 1，可是一群 neuron 結合起來，卻沒有特定的功能了。

　　就以下面來比喻吧： 當某一區域具有 A，B，C，D，E，F 六個 neuron，假設當它們以A-B-C-D-E-F 來當 information pathway 時，所具有的功能為 ADD，可是在複雜的 3-D network 構成下，它可能還有另外的 information pathway，但不論information pathway 為那條，A-C-B-D-E-F 雖然只有 BC 對調，但同樣包含這相同 6 個 neuron 的 pathway 所具有處理能力就和原先不一樣了，也就是說，XOR，AND，SHIFT....都有可能....

　　Neuron 這樣的功能表示什麼呢? 表示人的腦部能夠在有限的 neuron 中，"重疊而平行地" 處理許多事件。 我們可能在馬路上開車，突然之間一個小孩跑出來，經過眼睛收到訊息後，我們緊急踩下煞車，握緊方向盤，腎上腺素大量分泌，交感神經興奮....。等等顯在和隱藏的處理程序發生了。 請允許我這樣比喻，在現在的 MPP 超級電腦中，我們是用大量的 CPU 來達成平行處理，可是人腦卻十分精巧地利用 neuron-neuron 間的突起連結成一個嘆為觀止的單一 CPU 卻具有多 CPU 的能力，或許我們更可以這樣猜測，人腦是同時具有處理和儲存能力的 "CPU"，就拿一些數據來比較吧，人腦中的 neuron 約有一百四十億個，而目前人類在處理器實作中就屬 Alpha 有將近一千萬個 transistor 最多。

　　事實上很明顯，人腦大約是 Alpha 的 1400 倍，加上能 "虛擬" 的處理數....。你能想像人腦所具有的潛能嗎?

不過這也只是將人腦比做電腦才有這樣子的比較，事實上的情形，人腦和電腦屬於兩種不同領域的東西，雖然就某種方面來說具有相關性 （皆是某種形式的stimulus & response），但很難將兩者視為平起平坐的 "處理器"....

　　以上是電腦和人腦的某種數字遊戲，接下來的 Post 將討論到一些人類記憶原理的假說了....。

　　還記得在六十年代和七十年代的幾項老鼠實驗吧? 那時候的環境正是核酸（nucleic acid） 和蛋白質 （protein） 的時代，許許多多的生化機制都被NA 和 protein 所闡明。 其中有一群科學家利用老鼠做了一個實驗，他們原本訓練一隻老鼠 （A），等 A 訓練完後，他們將 A 的腦萃取出蛋白質，然後送入另一隻老鼠 （B） 的體內，結果他們很驚訝的發現 B 不用經過訓練便可以具有 A 的行為模式。 於是，他們便懷疑，腦中的儲存物質很可能是 protein。

　　如果我們腦中的儲存物質是 protein 的話，那麼我們就大約可以算出人類腦中最大可以儲存的極限容量了。 一般來說，人類腦的重量約二到三公斤，而身體中約有 66% 是由水組成，那麼我們可以這樣假設了：

　　假設某人的腦重量為 3 公斤，而我們可以完全排出腦中的水和不需要生化機制的 NA 和 protein，所以我們可以得到最大 memory protein 為兩公斤，而每一個 Amino Acid 的平均分子量為 120，於是我們所能具有的全部 a.a.數為：

2000 / 120 = 16。67 mole ，即 16。67 x 6 * 10^23 個

也就是所有用來儲存的 a.a. sequence 有 10^25 個，然而每個 sequencelocation 可以由 20 種a.a.  所構成，這和電腦所定義的 byte 數不一樣，因為電腦中是以 8 bit 為 1 byte，而 1 bit 為 1 和 0 的組合。 我們不知道生物儲用的 "byte" 為幾 "bit"，我們只知道可能的 "bit" 有 20 種變化....。

　　於是，我們不管 protein 以何形式來儲存 real world 的 Data。 也不管腦中 receptor or binding protein 如何解譯 memory protein sequence。好吧，如果我們這麼想知道人類的極限能力的話，我們假設我們一樣是8 "bit"（bio-bit） 組成一個 bio-byte，只是這個 bit 很奇怪，有 20 種變化。 因此在生物中對於 real world 的 information 種類就有 20^8 定義，大約 256 * 10 ^ 8，比電腦 ASCII 的 256 種變化多多了，看起來似乎能夠代表 real world 的所有資訊，那我們就這樣假定了。

因此，我們能夠記憶的最大容量是 10^25 bio-byte，換算成硬碟的容量是：

total bytes = 10^25 / 8 = 1。25 * 10^24 （近似於 10^24）

10^24 / 10^（6+3） = 10^15 bio-GB，以全球一年 HDD 一億臺出貨量來說，大約要 10^15 / （10*10^8） = 10 ^ 6 （ 假設每台 10GB ），相當於要一百萬年才能生產出一個人腦中儲存總容量的 "總硬碟" 數目....

　　如果這個理論正確的話，那麼就算一個細胞中只有 1% 的 protein 用來memory 外，還是得上萬年才生產的出來....

　　近年來在生物化學的領域中，基因研究一直是個相當熱門的話題，也是目前生物科技探索次細胞世界的主要方法。 依據六七十年代的老鼠研究，我們大概可以瞭解人的記憶這件事情和 protein 脫不了關係，可是問
題就出現在這兒，"記憶和 protein 脫不了關係" 在邏輯上並不是 "記憶物質就是 protein" 的同義詞，那麼如果真有記憶物質的話，它到底是什麼? 機制為何?

　　猶記得二十世紀前葉的時候，生命科學界 （事實上當初不是這樣命名），對於遺傳物質 （gene material） 到底是那種物質而爭論不已，而頂頂大名的 protein 則是那個時候最有希望的候選人之一，因為一個生命所能
具有的性狀太多了，除了 protein 和不久前被分離出來的 nucleic acid之外，幾乎沒有一種物質能有那麼多的 "變異" （"同系物"）。 結果，後來一個噬菌體 （phage） 實驗毀滅了 protein 成為 gene material 的夢想，nucleic acid 登上 gene material 的王座。 人類第一次發現自己對於生命所作的猜測是如此愚蠢，更首次見證到生命的有序，簡單，卻不可思議的複雜....。

　　而這一次，protein 準備捲土重來了....

　　科學研究的定義其實很簡單，就是基於事實的猜測。 以前人類並不清楚腦中所發生種種的現象，因此只能就日常生活上的經驗來假設，當然日常生活中我們最常用的 "輔助記憶體" 是紙，於是在人類的心靈中便普遍有一種想法，"人類的腦中一定有什麼東西和紙這種概念相似的"。 的確，這是一種正確的科學猜測，也符合實驗精神，只可惜更正確，更符合科就必需依循已知的條件作修改。 要怪就只能怪腦的機制太複雜了，複雜到和人類行為南轅北轍，複雜到幾乎沒有已知的現象來提供假設輔助....

　　接下來的東西就已經完全進入到生物化學的高等領域。 正如前面所言，memory material 並不存在，也許你會有這種想法與疑問： "那麼是何種機制構成我們的記憶呢? " 這真是一個好問題，同時提供了問題與解答。 咦? 問題還可以理解，什麼時候出現解答了?

　　沒錯，有解答，正是 "機制" 兩個字。 人類的記憶並不是像電腦一樣拿一群"東西" 來記錄事情，而是一種可變的生化機制來牽動一連串的反應，不論是思考，記憶，創造，情緒....。請注意，腦中的訊息傳遞 （signal transduction），和電腦不同的是，它不僅用電流來傳地，更有化學物質來參預，這不僅讓neuron 贏過只單純利用化學物質的體細胞，更讓它自己都不了解它自己....

　　好了，其實就目前的實驗所知，現在人類腦中的儲存機制依然未知，不過僅就絕對已知，也絕對相關的部份來看，我們可以得到下列數點：

腦部神經訊息傳遞的方式和 "它" 自己想出來的方式 - 電路與電晶體很類似，不一樣的部份前面已提出過，也就是 neuron 和 transistor I/O end 不同，和構成 "計算機" 的結構不同。
Axon end 能分泌神經傳導物質 （neurotransmitter），不同的 neurotransmitter會越過突觸 （synaps） 和另一個 neuron 細胞膜上相應的受器結合，引發不同的 nerve impulse，激起不同的 information pathway。
腦部並不是全部就只有一團 neuron 專門來處理所有的訊息，而是分成很多部份，各司其職，（superscalar?），而一般咸信，下視丘和小腦附近的海馬能夠對於短期記憶有迅速的處理能力 （working memory： RAM? cache?），而長期記憶普遍認為是因為 neuron cell membrane 上 receptor 數目，種類 （stimulus，repress），性質 （dephosphated，phosphated），neurotransmitter （Acetylcholin，norepinephrine，ca++...etc） 不同，而使得 information processing 不同。 （rewriteable hardwired?）
人類對於真實世界的認知有所謂的關聯性，這些在感覺器官便已經整理好後，以相同性質的 nerve impulse 送往腦部處理 （ASymmetry Multiple Processor? And MultiMedia data processing capability?）
Neuron 的 cell body 裏面，還有一群可怕的 biochemistry mechanism在等著，裏面個個細胞都有一附天生便 hardwired 的 program 等著stimulus material 進入而啟動 （micro-code?），如果你願意接受的話，一百四十億個 neuron 全部都是一個 CPU，而腦全體便是一個Ultra-Supercomputer....
當腦部某一部分受損時，能夠藉由再訓練，使另一部份的腦繫轉而負責職司其功能 （fault-tolerance?） ，當然，這是僅限在能再訓練的部份，如果像延腦那種生命中樞的話，掛了就掛了，不可能訓練小腦取代延腦的。

astin

  尽管最大的电脑的记忆容量是1，000，000，000，000个字节（10的12次，即方），人脑的记忆容量的字节数则大到10后面跟8432个零。研究人员说，记忆是自然智慧的基础，而人脑的记忆容量至今还是个谜，因为没人能建立合适的计算模型将其测算出来。人脑中神经元的数量是已知的，大约为1000亿个

-------------------------------以下是转来的有关人脑的容量知识-----------------------------目前的生物化學對於人腦的記憶儲存機制還不是很清楚啦，不過要談到人腦的記憶機制，首先就得看一下人腦是如何處理訊息的。

　　人腦處理訊息的模式理論上可以算是數位 （digit） 的形式，因為神經衝動（Nerve impulse） 是一種全有全無 （All or none： 這在前幾封信的學長有提到過） 的方式，也就是神經電位有所謂的閾值，這剛好符合數位處理的 0 與 1，在某個神經電位之下的電位被解釋成 0 （or 1），而其上的值則被解釋成 1 （or 0）。

　　既然神經衝動是屬於數位方式，但是，人的腦部是否就和電腦一樣呢? 答案很明顯，當然不是。 現在讓我們將角度放在人腦和電腦的單位層次，來比較看看神經元 （Neuron） 和電晶體 （transistor） 的差異。

　　一般來說，transistor 有所謂的輸入 （Input） 和輸出 （Output） 端 （end），如果我記得沒錯的話 （畢竟不是電機科系的，說錯還希望前輩指正），在各個logic 下的 transistor 其大多只有兩個 Input end，一個 Output end，和
其它 transistor 以極為有序的平面網路 （2-D network） 結構相連在一起，構成 AND，OR，XOR....等邏輯運算和 ADD，SHIFT.... 等算數運算，而構成這些單元後，這些單元的功能就此限制住了，沒辦法再修改，亦及 ADD 就是ADD，不能變成 AND....。

　　可是 neuron 呢? 以一般最常見的 neuron 來考慮，有所謂的樹突 （dendrite）和軸突 （axon） 分別處理 Input 和 Output 的訊號。 和 transistor 相似的，neuron 的 axon 通常只有一個，可是 dendrite 呢? 平均在十萬以上，再加上 neuron 和 neuron 之間是屬於亂序的立體網路 （3-D network），這使得 neuron雖然也是處理 0 與 1，可是一群 neuron 結合起來，卻沒有特定的功能了。

　　就以下面來比喻吧： 當某一區域具有 A，B，C，D，E，F 六個 neuron，假設當它們以A-B-C-D-E-F 來當 information pathway 時，所具有的功能為 ADD，可是在複雜的 3-D network 構成下，它可能還有另外的 information pathway，但不論information pathway 為那條，A-C-B-D-E-F 雖然只有 BC 對調，但同樣包含這相同 6 個 neuron 的 pathway 所具有處理能力就和原先不一樣了，也就是說，XOR，AND，SHIFT....都有可能....

　　Neuron 這樣的功能表示什麼呢? 表示人的腦部能夠在有限的 neuron 中，"重疊而平行地" 處理許多事件。 我們可能在馬路上開車，突然之間一個小孩跑出來，經過眼睛收到訊息後，我們緊急踩下煞車，握緊方向盤，腎上腺素大量分泌，交感神經興奮....。等等顯在和隱藏的處理程序發生了。 請允許我這樣比喻，在現在的 MPP 超級電腦中，我們是用大量的 CPU 來達成平行處理，可是人腦卻十分精巧地利用 neuron-neuron 間的突起連結成一個嘆為觀止的單一 CPU 卻具有多 CPU 的能力，或許我們更可以這樣猜測，人腦是同時具有處理和儲存能力的 "CPU"，就拿一些數據來比較吧，人腦中的 neuron 約有一百四十億個，而目前人類在處理器實作中就屬 Alpha 有將近一千萬個 transistor 最多。

　　事實上很明顯，人腦大約是 Alpha 的 1400 倍，加上能 "虛擬" 的處理數....。你能想像人腦所具有的潛能嗎?

不過這也只是將人腦比做電腦才有這樣子的比較，事實上的情形，人腦和電腦屬於兩種不同領域的東西，雖然就某種方面來說具有相關性 （皆是某種形式的stimulus & response），但很難將兩者視為平起平坐的 "處理器"....

　　以上是電腦和人腦的某種數字遊戲，接下來的 Post 將討論到一些人類記憶原理的假說了....。

　　還記得在六十年代和七十年代的幾項老鼠實驗吧? 那時候的環境正是核酸（nucleic acid） 和蛋白質 （protein） 的時代，許許多多的生化機制都被NA 和 protein 所闡明。 其中有一群科學家利用老鼠做了一個實驗，他們原本訓練一隻老鼠 （A），等 A 訓練完後，他們將 A 的腦萃取出蛋白質，然後送入另一隻老鼠 （B） 的體內，結果他們很驚訝的發現 B 不用經過訓練便可以具有 A 的行為模式。 於是，他們便懷疑，腦中的儲存物質很可能是 protein。

　　如果我們腦中的儲存物質是 protein 的話，那麼我們就大約可以算出人類腦中最大可以儲存的極限容量了。 一般來說，人類腦的重量約二到三公斤，而身體中約有 66% 是由水組成，那麼我們可以這樣假設了：

　　假設某人的腦重量為 3 公斤，而我們可以完全排出腦中的水和不需要生化機制的 NA 和 protein，所以我們可以得到最大 memory protein 為兩公斤，而每一個 Amino Acid 的平均分子量為 120，於是我們所能具有的全部 a.a.數為：

2000 / 120 = 16。67 mole ，即 16。67 x 6 * 10^23 個

也就是所有用來儲存的 a.a. sequence 有 10^25 個，然而每個 sequencelocation 可以由 20 種a.a.  所構成，這和電腦所定義的 byte 數不一樣，因為電腦中是以 8 bit 為 1 byte，而 1 bit 為 1 和 0 的組合。 我們不知道生物儲用的 "byte" 為幾 "bit"，我們只知道可能的 "bit" 有 20 種變化....。

　　於是，我們不管 protein 以何形式來儲存 real world 的 Data。 也不管腦中 receptor or binding protein 如何解譯 memory protein sequence。好吧，如果我們這麼想知道人類的極限能力的話，我們假設我們一樣是8 "bit"（bio-bit） 組成一個 bio-byte，只是這個 bit 很奇怪，有 20 種變化。 因此在生物中對於 real world 的 information 種類就有 20^8 定義，大約 256 * 10 ^ 8，比電腦 ASCII 的 256 種變化多多了，看起來似乎能夠代表 real world 的所有資訊，那我們就這樣假定了。

因此，我們能夠記憶的最大容量是 10^25 bio-byte，換算成硬碟的容量是：

total bytes = 10^25 / 8 = 1。25 * 10^24 （近似於 10^24）

10^24 / 10^（6+3） = 10^15 bio-GB，以全球一年 HDD 一億臺出貨量來說，大約要 10^15 / （10*10^8） = 10 ^ 6 （ 假設每台 10GB ），相當於要一百萬年才能生產出一個人腦中儲存總容量的 "總硬碟" 數目....

　　如果這個理論正確的話，那麼就算一個細胞中只有 1% 的 protein 用來memory 外，還是得上萬年才生產的出來....

　　近年來在生物化學的領域中，基因研究一直是個相當熱門的話題，也是目前生物科技探索次細胞世界的主要方法。 依據六七十年代的老鼠研究，我們大概可以瞭解人的記憶這件事情和 protein 脫不了關係，可是問
題就出現在這兒，"記憶和 protein 脫不了關係" 在邏輯上並不是 "記憶物質就是 protein" 的同義詞，那麼如果真有記憶物質的話，它到底是什麼? 機制為何?

　　猶記得二十世紀前葉的時候，生命科學界 （事實上當初不是這樣命名），對於遺傳物質 （gene material） 到底是那種物質而爭論不已，而頂頂大名的 protein 則是那個時候最有希望的候選人之一，因為一個生命所能
具有的性狀太多了，除了 protein 和不久前被分離出來的 nucleic acid之外，幾乎沒有一種物質能有那麼多的 "變異" （"同系物"）。 結果，後來一個噬菌體 （phage） 實驗毀滅了 protein 成為 gene material 的夢想，nucleic acid 登上 gene material 的王座。 人類第一次發現自己對於生命所作的猜測是如此愚蠢，更首次見證到生命的有序，簡單，卻不可思議的複雜....。

　　而這一次，protein 準備捲土重來了....

　　科學研究的定義其實很簡單，就是基於事實的猜測。 以前人類並不清楚腦中所發生種種的現象，因此只能就日常生活上的經驗來假設，當然日常生活中我們最常用的 "輔助記憶體" 是紙，於是在人類的心靈中便普遍有一種想法，"人類的腦中一定有什麼東西和紙這種概念相似的"。 的確，這是一種正確的科學猜測，也符合實驗精神，只可惜更正確，更符合科就必需依循已知的條件作修改。 要怪就只能怪腦的機制太複雜了，複雜到和人類行為南轅北轍，複雜到幾乎沒有已知的現象來提供假設輔助....

　　接下來的東西就已經完全進入到生物化學的高等領域。 正如前面所言，memory material 並不存在，也許你會有這種想法與疑問： "那麼是何種機制構成我們的記憶呢? " 這真是一個好問題，同時提供了問題與解答。 咦? 問題還可以理解，什麼時候出現解答了?

　　沒錯，有解答，正是 "機制" 兩個字。 人類的記憶並不是像電腦一樣拿一群"東西" 來記錄事情，而是一種可變的生化機制來牽動一連串的反應，不論是思考，記憶，創造，情緒....。請注意，腦中的訊息傳遞 （signal transduction），和電腦不同的是，它不僅用電流來傳地，更有化學物質來參預，這不僅讓neuron 贏過只單純利用化學物質的體細胞，更讓它自己都不了解它自己....

　　好了，其實就目前的實驗所知，現在人類腦中的儲存機制依然未知，不過僅就絕對已知，也絕對相關的部份來看，我們可以得到下列數點：

腦部神經訊息傳遞的方式和 "它" 自己想出來的方式 - 電路與電晶體很類似，不一樣的部份前面已提出過，也就是 neuron 和 transistor I/O end 不同，和構成 "計算機" 的結構不同。
Axon end 能分泌神經傳導物質 （neurotransmitter），不同的 neurotransmitter會越過突觸 （synaps） 和另一個 neuron 細胞膜上相應的受器結合，引發不同的 nerve impulse，激起不同的 information pathway。
腦部並不是全部就只有一團 neuron 專門來處理所有的訊息，而是分成很多部份，各司其職，（superscalar?），而一般咸信，下視丘和小腦附近的海馬能夠對於短期記憶有迅速的處理能力 （working memory： RAM? cache?），而長期記憶普遍認為是因為 neuron cell membrane 上 receptor 數目，種類 （stimulus，repress），性質 （dephosphated，phosphated），neurotransmitter （Acetylcholin，norepinephrine，ca++...etc） 不同，而使得 information processing 不同。 （rewriteable hardwired?）
人類對於真實世界的認知有所謂的關聯性，這些在感覺器官便已經整理好後，以相同性質的 nerve impulse 送往腦部處理 （ASymmetry Multiple Processor? And MultiMedia data processing capability?）
Neuron 的 cell body 裏面，還有一群可怕的 biochemistry mechanism在等著，裏面個個細胞都有一附天生便 hardwired 的 program 等著stimulus material 進入而啟動 （micro-code?），如果你願意接受的話，一百四十億個 neuron 全部都是一個 CPU，而腦全體便是一個Ultra-Supercomputer....
當腦部某一部分受損時，能夠藉由再訓練，使另一部份的腦繫轉而負責職司其功能 （fault-tolerance?） ，當然，這是僅限在能再訓練的部份，如果像延腦那種生命中樞的話，掛了就掛了，不可能訓練小腦取代延腦的。