人間は生涯を通じて学習しますが、脳に保存できるのは 4GB だけですか?

人生において、私たちは「人間の脳には無限の可能性がある」という感動的な言葉をよく耳にします。しかし、この発言の合理性と正しさについて本当に考えたことがありますか?

物理的な観点から見ると、人間の脳には約 1,000 億個のニューロンがあり、各ニューロンは他のニューロンと接続され、非常に複雑な情報処理ネットワークを形成しています。全人類から天才として認められているアインシュタインのような人物でさえ、脳の約 10% しか使用していません。このことから、上記の記述に間違いはないことが推測できます。

密に連結したニューロン

しかし同時に、誰もが一つのことを見落としているようです。脳を精密に動くコンピュータに例えると、複雑な情報ネットワークは「受信機」と「センサー」のようなもので、情報の受信と認識の能力を駆動することしかできず、「CPU」と「メモリカード」、つまり情報処理と保存の問題に干渉することが困難です。では、それを考慮に入れると結果はどうなるでしょうか?

最近、Neuron 誌に掲載された展望論文がその答えを示しました。カリフォルニア工科大学の研究者たちは計算の結果、やや気が滅入る理論を提唱した。人間が生まれてから死ぬまで学び続けたとしても、最終的に蓄積される「知識の記憶容量」はわずか 4 ギガバイト (GB) で、持ち歩く小さな USB フラッシュ ドライブにも満たないかもしれないというのだ。しかし、これは人間が自分たちが思っているほど賢くないということを意味しているのでしょうか?明らかにそうではありません。

「シングルコアプロセッサで無制限のセンサー」

まず第一に、人間の脳は、現代の科学技術の手段を使って明確に探究し分析することが最も難しい器官であることに疑いの余地はないことを理解しなければなりません。したがって、人間が一生の間に保存できる情報の最大量を計算しようとする場合、いくつかの物理量をシミュレートすることによってのみ計算できます。ここでは脳の情報処理速度が重要な役割を果たします。

この目的のために、カリフォルニア工科大学の研究チームは、タイピングと会話という 2 つの日常的な活動を例として選択しました。英語の 1 文字あたりの「情報量」（エントロピー）は約 1 ビットです。タイピストが 1 分間に 120 語 (1 秒に 2 語) を入力でき、平均的な語が約 5 文字で構成されている場合、タイピストの情報処理速度は 1 秒あたり約 10 ビットになります。情報速度がより高い言語表現でさえ、1 分あたり 160 語として計算すると、1 秒あたり約 13 ビットにすぎません。 1 分間に何千ものキーを入力できるプロの e スポーツ プレイヤーであっても、ゲームの最も緊迫した瞬間であれば、1 秒あたり 16.7 ビットの速度でしか情報を処理できません。

上記から、人間の思考の平均速度はおよそ 10 ビット/秒に維持されていると結論付けることができます。このことから、たとえ人が24時間中断することなく勉強し、記憶を忘れず、100歳まで生きたとしても、最終的に蓄えられる知識は4GB未満になるだろうと計算できます。

脳のストレージ

しかし、10 ビット平均は非常に直感に反するため、その科学的価値に疑問を呈する人もいます。結局のところ、人間は常に、自分たちが速く考えることができることを誇りに思ってきました。特に今日の情報爆発社会では、「テレビ番組を2倍速で視聴するのは遅すぎる」と主張する人が多くいます。あるいは、ネットワーク ディスクのダウンロード速度が 1 秒あたり数千ビット (Kbps) のままであることに気付いた場合、おそらく怒りのあまりコンピューターを直接破壊したくなるでしょう... このような比較をすると、人間が非常に「二重基準」であるように見えますが、これは合理的でしょうか?

驚くべきことに、それは理にかなっています。人間の脳の情報処理能力と記憶能力はいくぶん不十分ですが、驚くべきことに、私たちの末梢神経系は毎日最大ギガビット/秒 (Gbps) という極めて高速な速度で環境から情報を取得しています。たとえば、視覚システムの 1 つの錐体は 1 秒あたり 270 ビットの速度で情報を伝達でき、片方の目だけでも約 600 万個の錐体があります。つまり、両眼視システムだけで、最大 3.2 ギガビット/秒の速度で情報を受信します。その結果、人間が情報を受け取る速度とそれを処理する速度の差は、驚くべきことに 108:1 にまで広がりました。

「強力なセンサーとシングルコアプロセッサの組み合わせ」こそが、人間の脳の運命なのかもしれません...

なぜ中枢神経系は「ゆっくりした作業と細かい作業」を選択するのでしょうか?

その結果、より大きな謎が浮上しました。それは、人間は長い進化の過程から抜け出し、シングルコア プロセッサの助けを借りて種を支配することができるのか、というものです。研究者らは、この速度は生存の必要を満たすのに十分であるため、これは事実であると指摘した。結局のところ、人間が直面する環境のほとんどは比較的ゆっくりと変化しており、この「遅い」処理能力は、これらの変化に対処するための基本的なニーズをはるかに超えています。

脳の中枢神経系について言わなければならないことの一つは、それがまさに「素晴らしい結果を生み出すゆっくりとした着実なプロセス」であるということです。一般的に、人間の神経系は、回路の並列接続と直列接続を参照することで理解できる、並列処理と直列処理という 2 つの情報処理方法に大別できます。すると、違いは明らかです。つまり、前者は同時に作業しますが、後者は 1 つの作業を完了してからでないと、別の作業を実行できません。

「直列」と「並列」

私たちの体全体に広がる末梢神経系は、情報の受信に並列アプローチを採用しています。たとえば、網膜は 1 秒間に 100 万個の出力信号を生成しますが、それぞれの信号は網膜ニューロンによる視覚画像の局所計算の結果です。これらの信号は、処理のために一次視覚野に送信されます。しかし、中枢神経系は情報を連続的に処理します。複数のタスクが同時に発生すると、中枢神経系はいわゆる「心理的不応期」を経験し、タスクのうちの 1 つにのみ集中するようになります。このメカニズムは、人間が騒がしい環境でも特定の会話に集中できる理由を説明しています。

さらに、人間の脳は感覚経験からの情報のごく一部だけを選択的に処理し、このフィルタリングされた情報だけが私たちの意識に入り、記憶に変換されます。研究者たちは、脳がデータを非常にゆっくりと処理しながらも、非常に大規模なニューロンネットワークを必要とする理由は、頻繁にタスクを切り替え、異なる神経回路間で情報を統合する必要があるためだと考えています。たとえば、運転では、道路、ダッシュボード、バックミラー、ナビゲーションを素早く切り替えて見る必要があり、タスクが異なれば情報処理モードも異なります。

では、なぜ人間はこのシリアル処理メカニズムを進化させたのでしょうか?科学者たちは、これが進化の過程の初期における神経系の機能に関係していると考えています。神経系を持つ最も初期の生物の脳の中心的な機能は、匂い分子の濃度勾配を検知して移動方向を決定し、それによって食物に近づいたり捕食者を避けたりすることでした。生物は一度に 1 つの場所にしか存在できず、1 つの経路しか選択できないため、単一の問題のみを解決するこのアーキテクチャは徐々に今日の中枢神経系の基礎へと進化しました。

実際、「最強の脳」を持つ人々の記憶の秘密を観察すると、同様のメカニズムも見つかります。それはシャーロック・ホームズの「記憶の宮殿」のようなものです。彼らは常におなじみの場面を使って、途中で必要な情報を断片的に配置します。そして、記憶を取り戻す必要があるときは、自分が再びこの場面を歩いているところを想像し、断片を一つずつ抽出します。研究者らはまた、人間の思考は実際には抽象的な概念空間におけるナビゲーションの一形態として捉えることができると提唱した。

シャーロック・ホームズの「記憶宮殿テクニック」

最後に、科学者たちは記事の中で、人生における「刺激を求める」という人間の行動を「遊び心たっぷりに」解釈し、次のように述べている。「まさに、人間が情報を処理する速度は、自然環境のゆっくりとした変化に比べてまだ多くの冗長性を持っているため、多くの人が脳の処理限界に挑戦し、快楽を得るために、ハイスピードのスポーツやテンポの速い電子ゲームを選択するのです。」

しかし同時に、彼らは、インターネット中毒になり、現実世界から疎外され始めている人々にとって残酷な真実も指摘した。ビデオゲームにおける人間と機械の戦いでは、機械は人間の処理速度に制限されないのだ。つまり、機械の動作速度に制限がなければ、人間がそれに追いつくことは不可能になります。

したがって、コンピュータとの競争の渦に巻き込まれ、抜け出すことができない場合は、基本的に倒すことが不可能な敵に挑戦しているだけであり、倒す必要はまったくないことを思い出してください。なので、速度制限を追求するのではなく、周囲の分かりやすい有効な情報を効率よく活用して現実に立ち返ることに重点を置いた方が良いでしょう。