暗淡的灯泡、明亮的心灵:GPU 帮助揭示大脑如何运用点滴能量实现庞大的记忆容量

by 英伟达中国

下次当你忘记约会、放错钥匙或者记不起别人的名字时,就不能再胡乱编个理由了:一项新研究表明,大脑的记忆容量可以达到拍字节 (PB) 等级,是以往认为的容量的十倍。

PB 等级的容量足以容纳超过 13 年的 HD-TV 记录内容或两倍于美国人口的 DNA 数量。

这项由萨克生物研究所与合作单位共同进行的研究也揭示了人脑为何能如此高效地使用能量,或许能借此打造出具有超强处理能力和低能耗的计算机。

萨克生物研究所教授,同时也是这一在《eLife》期刊上发表的研究报告的共同作者 Terry Sejnowski 表示:“这是一条非常令人震惊的消息,不只是对神经学界,对计算机科学界也具有非常重要的意义。”“它让我们对人脑的运作方式有了全新的理解”。

突触的大小至关重要

研究人员通过研究在脑细胞或神经元之间传递信号的突触来判断大脑的记忆容量。突触越大越好:突触的大小决定了神经元的储存容量。大的突触还有其他一些优势,比如更强大、传递信号更可靠。

研究团队使用老鼠脑部记忆中心的海马体来重新构建更加精确的三维数字图像。计算机神经科学先驱 Sejnowski 称,这个使用 GeForce GTX TITAN GPU 重建的图像达到了“史上最精密”的水平。

研究团队利用该模型和电镜测量特定突触在大小上的差异,进而确认了大约 26 类不同大小的突触,各类突触之间的大小差值大约为 8%。

用计算机术语来说明,相当于每个突触上大约有 4.7 位的信息。过去,神经学家认为每个海马突触上的信息量仅有一到两位而已。

更强大、更省电的计算机成为可能

不过,知道了大脑有如此庞大的存储容量后,又产生了另一个让人头疼的问题。突触在神经元间只传输了 10% 到 20% 的信息,但大脑仍然可以高效地运转。

萨克研究所成员(也是论文的共同作者之一)Tom Bartol 提出:“我们一直有个疑问,如果突触这么不可靠,大脑是如何进行运算的呢?”

或许答案是这样的:突触会不断地调整其大小以响应收到的信号,长期下来得出其平均成功率和失败率。

大脑使用的电量跟一个小灯泡差不多

Sejnowski 所谓的大脑“概率”策略也许能说明它令人惊叹的能源效率。由于突触仅在 10% 到 20% 的时间是活跃的,因此大脑可以在其他时间存储能量。一个清醒的成年人将消耗大约 20 瓦的电力,相当于一个昏暗的小灯泡。

Sejnowski 说,利用这些研究成果,或许就能发展出有效利用大脑的这些缺点却成功省电的计算机,成为“运算准确、又很省电的计算机与大脑”。

这种计算机适用于需要庞大、高效的处理能力进行影像分析和语音识别的深度学习和人工神经网络。