人類的腦分幾部份呢?監控電腦 人類的腦分幾部份呢? 人類的腦分幾部份呢?
現代人的腦容量約1200~1500cc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?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:1.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。

2.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。

3.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?) 4.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?) 5.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.... 6.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。

參考資料 知識+

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參考資料:http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1405102017224 監控電腦

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