人間の脳には何十億ものニューロンがあるのに、なぜ 1 秒あたり 10 ビットしか動作しないのでしょうか?

制作：中国科学普及協会

著者: デノボ

プロデューサー: 中国科学博覧会

ニューロン誌に最近発表された研究では、人間の脳が情報を素早く処理する能力について調査された。研究により、私たちの思考は思っているほど速くないことが判明しました。

コンピューターでは、ビットは情報の基本単位であり、バイナリ状態 (0 または 1) を表すために使用されます。多数のビットを組み合わせることで、コンピューターは膨大な量のデータを効率的に保存、処理し、優れたパフォーマンスを発揮します。

人間の脳は1秒間に10ビットの情報しか処理できません。

（画像出典：文書1）

研究によると、人間の行動による情報伝達速度は1秒あたり約10ビットに過ぎないのに対し、感覚システムは1秒あたり約10⁹ビットの情報を吸収できるという。これは、私たちの末梢神経系が、脳が最終的に出力するわずか 10 ビットよりも桁違いに高いギガビット レートで感覚データを並行して収集していることを意味します。

この現象は、脳の機能に関する根本的な疑問に関係しています。人間の思考速度を制限する神経メカニズムは何でしょうか? 10億個のニューロンを持つ脳が、なぜこれほど少量の情報しか処理できないのでしょうか?

人間の脳とコンピュータが情報を処理する方法の違いは何でしょうか?

まず、ここで論じられている人間の思考速度は、実際には情報処理速度、つまり特定の時間内に情報を理解、分析、処理する脳の能力を指していることを明確にする必要があります。これは、コンピュータがデータを処理するという概念とは根本的に異なります。

コンピュータの情報処理は定量的な記憶と計算に近いですが、人間の思考はより複雑で多次元的な活動を伴います。

人間の脳は、生体電気的信号と化学的信号を通じて情報を伝達するニューロンのネットワークに基づいています。非線形かつ分散的な処理を特徴とし、経験、感情、直感を統合して複雑な推論と意思決定を完了することができます。

対照的に、コンピューターはデジタル回路とバイナリ演算に基づいており、明確なアルゴリズムとプログラムに基づいて情報を処理します。コンピュータは論理、正確性、計算速度の点で優れていますが、独立して考える能力が欠けており、感情的なつながりを作ることができません。

両者の違いは、その機能に反映されているだけでなく、自然システムと人工システムの基本的な「設計」概念の違いも反映しています。

科学者は人間の思考速度をどのように数値化するのでしょうか?

この研究は、人間の脳の思考速度が1秒あたり10ビットであることを示しています。この特定の値はどのようにして得られたのでしょうか?

人間が情報を処理する速度を定量化するために、科学者はさまざまな実験を設計し、さまざまなタスクを実行するときに人間が処理する情報量を研究して思考速度を推定しました。

1. 盲目のルービックキューブ実験

科学者たちは、ブラインドルービックキューブの実験を行った。実験では、参加者はまず数秒間ルービックキューブを観察して初期状態を思い出す。その後、ルービックキューブをまったく見ずに元の状態に戻すことを試みた。全体のプロセスは、観察段階と問題解決段階の 2 つの段階に分かれています。研究者らは、視聴時間と問題解決時間を記録することで、参加者の認知処理速度を評価した。

盲目のルービックキューブ実験

（画像出典：著者がAIを使用して生成）

盲目のルービックキューブ実験の課題は、非常に短時間で 4.3×1016 通りのルービックキューブの状態をスクリーニングし、記憶戦略を形成するための重要な情報を抽出する必要があることです。実験データによると、参加者は観察フェーズ中に約 11.8 ビット/秒の速度で情報を処理しました。これは、複雑なタスクに直面した場合でも、脳は処理と記憶中に 1 秒あたり約 10 ビットの速度を維持することを示唆しており、これは高強度の認知タスク中の脳の連続動作メカニズムを裏付ける結果です。

2. タイピングタスク実験

科学者たちはタイピング課題の実験も設計した。参加者は手書きのテキストに基づいて英語を入力する必要がありました。熟練したタイピストの平均速度は 1 分あたり約 120 語で、各語には約 5 文字が含まれます。研究者たちは、入力した文字の総数と所要時間を数えることで、タイピング作業中の実際の情報処理速度を評価しました。

実験では、参加者が意味のある英語のテキストを入力する際に​​、言語パターンと文脈上の手がかりに基づいて入力速度が向上したことが示されました。しかし、実験者がタイピストにランダムな文字列を入力するように指示したところ、入力速度が大幅に低下しました。これは、認知プロセスが意味と記憶パターンに大きく依存していることを正確に反映しています。手の動きの速度は比較的高いレベルに達することができますが、情報処理の上限は依然として10ビット/秒であり、これは脳の認知ボトルネックが運動システムの速度によって制限されるだけでなく、脳内のシリアル情報のスクリーニングと処理メカニズムにも関連していることを示しています。この実験は、入力効率を向上させる上での言語パターン認識と認知の簡素化の重要性を浮き彫りにしています。

タイピングに反映される情報処理速度

（画像出典：著者がAIを使用して生成）

3. eスポーツ実験

この結論をさらに検証するために、研究者たちはeスポーツ選手に注目した。 StarCraft などのテンポの速いコンピュータ ゲームは、プレイヤーがリソース管理、戦術的操作、戦略的意思決定などの複数のタスクを非常に短い時間で完了する必要があるため、人間の情報処理速度を研究するためのツールとして使用されます。研究では、実際の行動と理論的に可能な行動の意思決定速度を比較することで、プロ選手の情報処理速度は1秒あたり約10ビットであると結論付けられ、複雑でストレスの高い環境における人間の認知限界を反映していることが示されました。

スタークラフトは、人間が情報を処理する速度を研究するためのツールとしても使用されている。

（画像出典：著者がAIを使用して生成）

人間の脳が情報を処理する速度を制限するものは何でしょうか?

まず、「外部脳」と「内部脳」の間には明確な役割分担があります。 「外部脳」は、大量の高次元の感覚入力を処理する役割を担っています。視覚や聴覚などのシステムは情報を並行して受信して処理し、1 秒あたりに送信されるデータの量は数十億ビットに達することがあります。 「内部脳」は、この情報をフィルタリングして圧縮し、意思決定と行動のための行動に関連する重要な情報のみを抽出します。この選別プロセスは、私たちが見る画像に多くの情報が含まれているのに、脳がほんの少しの有用な情報しか処理しないかのように、情報処理の速度を大幅に制限します。

第二に、人間の認知は連続的な処理を特徴としており、つまり脳は一度に 1 つのタスクにしか集中できないということです。この「シングルスレッド」動作モードは、動作速度のボトルネックを引き起こします。たとえば、同時に 2 つのタスクに直面した場合、2 番目のタスクの処理は最初のタスクが完了するまで待機する必要があります。

脳は一度に一つのタスクにしか集中できない

（画像出典：著者がAIを使用して生成）

前頭前皮質などの脳の高次認知領域には数十億のニューロンが含まれていますが、その主な役割は、感覚入力、記憶、感情、目標を低次元の行動決定に統合することです。この複雑な統合と調整のプロセスには時間がかかり、行動反応の速度が制限されます。

さらに、シナプス伝達とニューラル ネットワークの複雑さによっても速度制限が課せられます。単一のニューロンの伝達速度は比較的速いですが、神経信号は一度に直接伝達されるのではなく、複数のニューロンとシナプスを介して層ごとに伝達される必要があります。同時に、脳はスピードよりも行動の正確性と柔軟性を最適化することを優先します。これは、特定の環境での生存率を向上させるために設計された進化的適応です。

最後に、選択的注意とフィルタリングのメカニズムは認知リソースを効果的に節約できますが、大量の感覚情報が破棄されることにもつながり、行動出力の速度がさらに制限されます。これは、複雑な環境における情報過多に対処するために設計されていますが、その代償として、脳の反応速度が感覚入力を処理する速度よりもはるかに遅くなります。

これらのメカニズムが連携して、人間の行動に対しては 1 秒あたりわずか約 10 ビットの出力レートを生み出します。これは、感覚システムの入力レートとはまったく対照的であり、脳の設計上の優先順位を明らかにしています。

要約する

感覚入力と脳がそれを処理する速度の間には大きな矛盾があり、これは科学の大きな謎の一つとなっています。人間の脳は、外部からの豊富な情報を捉えることができ、時には優れた記憶力を発揮し、無意識のうちに一部の情報を処理することさえできますが、実際の動作速度は非常に遅いです。 1 秒あたり 10 ビットの情報処理速度は、間違いなく認知能力の上限を設定します。

では、将来この「ボトルネック」を突破できるのでしょうか?

脳コンピューターインターフェースを例にとると、科学者たちは人間の脳とコンピューターの間に効率的な直接通信チャネルを確立し、高速でシームレスな情報交換を実現することに取り組んでいます。しかし、脳の生理学的限界が存在するとすれば、最先端の技術をもってしてもこの基本的な制約を突破することは難しいでしょう。ハードウェア性能が制限されたデバイスを超高速ネットワークに接続するのと同じように、外部アップグレードでは内部処理速度を変更できません。

しかし、これは私たちの研究が止まるべきだという意味ではありません。それどころか、この課題は、将来的には脳の構造と動作メカニズムについてより深い研究を実施し、認知効率を向上させる潜在的な方法を模索する必要があることを私たちに思い出させます。

参考文献:

1.Zheng、Jieyu、Markus Meister。 「耐え難いほど遅い存在：なぜ私たちは 10 ビット/秒で生きているのか？」ニューロン（2024年）。

2.Dhakal、Vivek、et al. 「1億3600万回のキーストロークによるタイピングの観察」コンピューティング システムにおけるヒューマン ファクターに関する 2018 CHI カンファレンスの議事録。 2018年。

3. Vinyals、Oriol、et al. 「スタークラフト II: 強化学習への新たな挑戦」 arXiv プレプリント arXiv:1708.04782 (2017)。

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