“量化”大腦轉(zhuǎn)速：人類信息處理速度只有十比特每秒？

信息傳輸?shù)乃俣仍絹碓娇欤覀內(nèi)缃裆踔烈呀?jīng)習(xí)慣了以千兆比特每秒計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)速度，習(xí)慣了每秒進(jìn)行數(shù)百萬次運(yùn)算的智能設(shè)備。但作為這些技術(shù)的創(chuàng)造者和使用者，人類大腦的信息處理能力究竟如何？

近期，美國(guó)加州理工學(xué)院的一項(xiàng)研究對(duì)其進(jìn)行了量化：人類的認(rèn)知處理速度僅有10比特／秒。這似乎是一個(gè)極低的數(shù)字，每時(shí)每刻，人類從其感官接收的數(shù)萬億比特信息中，只提取了10比特的信息，用這10比特的信息來感知世界，然后做出決策。

那么，大腦究竟是如何來過濾這些信息的？研究團(tuán)隊(duì)對(duì)這一問題嘗試做出了解釋。

日前，相關(guān)前瞻性文章以《無法忍受的存在之緩慢：為什么我們的生活速度只有10比特／秒？》為題發(fā)表。

研究團(tuán)隊(duì)采用信息論的方法，系統(tǒng)性地分析了人類在各種認(rèn)知任務(wù)中的表現(xiàn)。他們收集和研究了近一個(gè)世紀(jì)以來關(guān)于人類認(rèn)知能力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，范圍涵蓋了從基礎(chǔ)感知到復(fù)雜認(rèn)知任務(wù)的多個(gè)領(lǐng)域。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論任務(wù)類型如何，人類的信息處理速度始終維持在每秒10比特左右的水平。

這個(gè)數(shù)字意味著什么？讓我們通過具體例子來理解。在打字測(cè)試中，即使是熟練的打字員，每分鐘也只能打出120個(gè)單詞。

考慮到英語語言中的信息冗余度，每個(gè)字符實(shí)際攜帶的信息量約為1比特，這樣的打字速度轉(zhuǎn)換為信息處理率正好是10比特／秒。

在語音交流方面，英語教學(xué)中推薦的演講速度是每分鐘160個(gè)單詞，轉(zhuǎn)換為信息率約為13比特／秒，雖然略高于打字速度，但仍在同一數(shù)量級(jí)內(nèi)。

有點(diǎn)不符合我們直覺的是，在專注力要求更高的任務(wù)中，這個(gè)速度也沒有太大變化。在盲解魔方比賽中，世界紀(jì)錄保持者需要5.5秒來觀察魔方的狀態(tài)。

考慮到魔方的可能排列數(shù)高達(dá)4.3×1016（約等于65比特的信息量），這意味著選手在觀察階段的信息獲取速率為11.8比特／秒。

即便在記憶相關(guān)的比賽中，最頂尖的選手在“5分鐘二進(jìn)制數(shù)字”項(xiàng)目中能記住1467個(gè)數(shù)字，在“速記撲克牌”項(xiàng)目中能在12.74秒內(nèi)記住52張牌的順序，這些看似非常的成就所對(duì)應(yīng)的信息處理速率仍然維持在5-18比特／秒的范圍內(nèi)。

這個(gè)看似緩慢的認(rèn)知速度與人類感知系統(tǒng)的輸入能力形成了鮮明對(duì)比。我們的視覺系統(tǒng)每只眼睛擁有600萬個(gè)視錐細(xì)胞，每個(gè)細(xì)胞可以傳輸約270比特／秒的信息，總輸入容量達(dá)到驚人的1.6吉比特／秒。即使經(jīng)過視神經(jīng)的初步處理，信息傳輸量仍保持在100兆比特／秒的水平。這意味著，從感知到認(rèn)知處理，大腦將信息壓縮了約1億倍。

研究者提出了一個(gè)重要概念來描述這種壓縮：篩選數(shù)。這個(gè)數(shù)值等于感知信息率除以行為輸出率。舉個(gè)例子，一只眼睛中有600萬個(gè)視錐細(xì)胞，容量約為1.6吉比特／秒。

打字員的大腦從巨大的比特流中篩選出正確執(zhí)行行為任務(wù)所需的10位／秒。那么，其壓縮數(shù)即為1.6×10。這個(gè)巨大的數(shù)字反映了大腦中信息處理的基本特征：從海量的感知輸入中提取出對(duì)行為真正重要的少量信息。

為了解釋這種信息壓縮機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)提出了“外腦”和“內(nèi)腦”的概念模型。“外腦”包括感知和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)處理高維度的原始信息。這些系統(tǒng)通常采用并行處理方式，能夠同時(shí)處理多個(gè)信息通道。例如，視覺系統(tǒng)可以同時(shí)處理顏色、形狀、運(yùn)動(dòng)等多個(gè)特征。

相比之下，“內(nèi)腦”系統(tǒng)負(fù)責(zé)更高層次的認(rèn)知處理，如決策和行為控制。這個(gè)系統(tǒng)采用串行處理方式，一次只能處理一個(gè)信息流。這種串行處理可能是由進(jìn)化歷史決定的。

研究者認(rèn)為，早期生物的神經(jīng)系統(tǒng)主要用于追蹤食物等簡(jiǎn)單任務(wù)，這種任務(wù)本質(zhì)上是串行的：生物在某個(gè)位置感知環(huán)境，然后決定下一步行動(dòng)。

這種串行處理模式在進(jìn)化過程中得以保留，并可能發(fā)展成為現(xiàn)代人類大腦的基本工作模式。這解釋了為什么我們無法同時(shí)進(jìn)行多個(gè)認(rèn)知任務(wù)，即使我們的感知系統(tǒng)能夠并行處理大量信息。例如，在聽多人同時(shí)說話時(shí)，我們只能真正理解其中一個(gè)人的內(nèi)容，即便耳朵同時(shí)接收了所有人的聲音。

研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，這種限制似乎是跨物種的普遍現(xiàn)象。即使在果蠅這樣的簡(jiǎn)單生物中，行為輸出的信息率也遠(yuǎn)低于其感知系統(tǒng)的輸入率。這進(jìn)一步支持了這種信息壓縮機(jī)制可能是神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)化過程中的基本特征。

從神經(jīng)科學(xué)的角度來看，這種信息壓縮可能發(fā)生在多個(gè)層次。在感知階段，神經(jīng)系統(tǒng)就開始進(jìn)行信息篩選。

例如，視網(wǎng)膜不僅僅是被動(dòng)地傳遞光信號(hào)，而是會(huì)提取視覺場(chǎng)景中的重要特征。這種篩選過程在大腦皮層中繼續(xù)進(jìn)行，最終只有極少量但關(guān)鍵的信息被用于行為決策。

這項(xiàng)研究不僅揭示了人類認(rèn)知處理的基本限制，也為理解大腦的工作原理提供了新的視角。它表明，大腦的核心功能可能不是處理更多的信息，而是更有效地篩選和壓縮信息。

換句話說，大腦的真正天才之處在于能夠從紛繁復(fù)雜的感知信息中，準(zhǔn)確提取出對(duì)生存和行為真正重要的關(guān)鍵信息。這種認(rèn)識(shí)正在重塑我們對(duì)大腦工作機(jī)制的理解。

這項(xiàng)研究對(duì)腦機(jī)接口領(lǐng)域或許也具有重要啟示。例如，馬斯克的腦機(jī)接口公司試圖通過植入芯片提高人腦的信息處理帶寬，但研究表明這種努力可能存在根本性限制。因?yàn)榧词菇⒘烁斓妮斎胪ǖ溃祟愓J(rèn)知本身的處理速度仍然可能維持在10比特／秒左右。

不過，團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這個(gè)認(rèn)知速度限制可能并非完全是劣勢(shì)。在日常生活中，這個(gè)處理速度通常已經(jīng)足夠應(yīng)對(duì)環(huán)境變化。但這也解釋了為什么年輕人會(huì)覺得現(xiàn)實(shí)世界“太慢”，而尋求快節(jié)奏的視頻游戲來獲得刺激。

他們建議，未來需要更多關(guān)注“內(nèi)腦”的工作機(jī)制，尤其是它在有限的處理帶寬下實(shí)現(xiàn)靈活認(rèn)知的能力。同時(shí)，這些發(fā)現(xiàn)也為開發(fā)更符合人類認(rèn)知特點(diǎn)的人工智能系統(tǒng)和輔助技術(shù)提供了重要參考。