Warum können wir in einem bestimmten Moment nicht 100 % des Gehirns nutzen?

Die viel zitierte Zahl von „10 % auf einmal“ überschätzt tatsächlich die gleichzeitige Gehirnaktivität um bis zu einer Größenordnung. Wie von Lennie 2003 (Current Biology) demonstriert , die

Anzahl von Neuronen, die im Wesentlichen gleichzeitig aktiv sein können

aufgrund der hohen metabolischen Kosten des Spikings möglicherweise nur 1 % der Neuronen des Gehirns ausmacht . Im Allgemeinen sind die Stoffwechselkosten eine wichtige Determinante der Gehirnaktivität . Dies wiederum hat das sogar zur Folge

weniger als 10 % des Cortex könnten überhaupt aktiv sein

, um Lennie noch einmal zu zitieren. Diese für den Menschen abgeleitete Zahl ist niedriger als bei anderen Tieren, die in der Lage sind, einen größeren Teil der Neuronen ihres Gehirns gleichzeitig zu erhalten. Das bedeutet, dass Ratten und Hamster mehr von ihrem Gehirn verbrauchen als Menschen.

Paradoxerweise kommen die höchsten metabolischen Kosten von der inhibitorischen Aktivität. Außerdem schränken Neuronen ihre eigenen Feuerraten über Refraktärzeiten ein. Als bestes Beispiel für ein Versagen dieser hemmenden Kontrolle über übermäßiges Spiking betrachten wir epileptische Anfälle, die einer extremen Synchronisation der neuralen Aktivität entsprechen, gewissermaßen einer Überaktivierung des Gehirns.
Ich denke, wenn man bedenkt, dass zwei Beispiele für Gehirne, die mehr gleichzeitige Aktivität zeigen als das gesunde menschliche Gehirn, 1. das Rattenhirn und 2. das epileptische Gehirn sind, wird es offensichtlich, dass eine Erhöhung der Gesamtaktivität die Gehirnfunktion nicht von Natur aus verbessern würde.

Weit davon entfernt, ein einzelnes Organ zu sein, das eine einzige homogene Funktion erfüllt, besteht das Gehirn tatsächlich aus mehreren Lappen, und jeder Lappen ist wie ein separates Organ, das ein Dutzend Funktionen erfüllt . Anders ausgedrückt, das Gehirn ist keine "Denkmaschine", sondern eher eine Ansammlung von Computern, Instrumententafeln eines Flugzeugs, Radar und Sonar eines U-Bootes, die Speicherbänke und Sicherungssysteme der New Yorker Börse Börsen und all die Banken an der Wall Street und die automatischen Selbstausgleichssensoren, die einen Segway schwach aussehen lassen, und noch einiges mehr.

Wenn also alle Neuronen der einzelnen Gehirnlappen gleichzeitig feuern (worum es bei einer 100%igen Nutzung des Gehirns geht), bedeutet dies, dass etwas sehr, sehr schief läuft.

Außerdem ist das Gehirn auf Redundanz ausgelegt . Es ist NICHT dafür gemacht, alle gleichzeitig zu feuern, weil einige Aspekte des Gehirns wie Plan A, Plan B und Plan C sind; Wenn Plan A fehlschlägt, wird Plan B ausgelöst, und wenn dieser fehlschlägt, wird Plan C ausgelöst. Wenn sie alle gleichzeitig ausgelöst werden, wird der Zweck der Redundanz zunichte gemacht.

Auch einige andere Aspekte des Gehirns können mit einer mehrstufigen Rakete verglichen werden, bei der die Stufen A, B und C nacheinander und nicht gleichzeitig abgefeuert werden. Die sequentielle Verarbeitung ist für verschiedene Gehirnfunktionen von entscheidender Bedeutung.

Im Gegensatz zu einem Computer, bei dem die Schaltkreise informationsunabhängig sind (sie können alles Digitale darstellen), sind neuronale Netze (sowohl biologische als auch künstliche) dies nicht. Die Organisation von Neuronen (ihre Verbindungen und die Stärke dieser Verbindungen) bestimmt, was sie darstellen und wie sie Informationen verarbeiten. Daher kann der visuelle Kortex nicht für die Audioverarbeitung rekrutiert werden, wenn Sie die Augen geschlossen haben, da der visuelle Kortex nur in der Lage ist, visuelle Informationen zu verarbeiten (ganz anders als eine GPU).

Dank der Neuroplastizität kann der visuelle Cortex (mit viel Training über einen langen Zeitraum) tatsächlich für andere Funktionen (einschließlich Audioverarbeitung) beispielsweise bei Blinden rekrutiert werden, aber dann wird dies die einzige Funktion, die er ausführt - dh die Neuroplastizität geben dem Gehirn nicht die Fähigkeit, den Kontext zu wechseln, wie es Computer haben.

Neuronen sind außerordentlich teuer in der Herstellung, Wartung und Verwendung (Laughlin et al, 1998; Stone 2018). Die Hälfte des Energiebudgets eines Kindes und ein Fünftel des Budgets eines Erwachsenen wird benötigt, um das Gehirn am Laufen zu halten (Sokoloff, 1989; Levy und Baxter, 1996). Sowohl bei Kindern als auch bei Erwachsenen wird die Hälfte des Energiebudgets des Gehirns für die neuronale Informationsverarbeitung und der Rest für die grundlegende Erhaltung verwendet (Attwell et al, 2001). Die hohen Kosten für die Verwendung von Neuronen erklären die Tatsache, dass nur 2-4% von ihnen gleichzeitig aktiv sind (Lennie, 2003). Ich vermute, dass, wenn alle Neuronen gleichzeitig aktiv sein könnten, die enormen Energiemengen wahrscheinlich dazu führen würden, dass das Gehirn gekocht wird.

Verweise

Attwell, D. und Laughlin, SB. Ein Energiehaushalt für die Signalisierung in der grauen Substanz des Gehirns. J Cerebral Blood Flow and Metabolism, 21(10):1133–1145, 2001.

Laughlin, SB, de Ruyter van Steveninck, RR und Anderson, JC. Die Stoffwechselkosten neuronaler Informationen. Nature Neuroscience, 1(1):36–41, 1998.

Lennie, P. Die Kosten der kortikalen Berechnung. Current Biology, 13:493–497, 2003.

Levy, WB und Baxter, RA. Energieeffiziente neuronale Codes. Neural Computation, 8(3):531–543, 1996.

Sokoloff, L. Zirkulation und Energiestoffwechsel des Gehirns. Basic Neurochemistry, 2:338–413, 1989.

Stein, JV. Prinzipien der neuronalen Informationstheorie: Computational Neuroscience und metabolische Effizienz. Sebtel Press (veröffentlicht am 8. Juni 2018).

Ich denke, das Problem mit Ihrer Frage ist, dass wir unser Gehirn nicht "benutzen". Es scheint, dass unser Gehirn unterschiedliche Aktivitätsmuster hat, in verschiedenen Regionen, zu verschiedenen Zeiten, und nach unserem besten Wissen sind es all diese Faktoren, die unsere Wahrnehmung der Umgebung, unsere Reaktion und wahrscheinlich unsere Gedanken und Identität hervorrufen (das "wir" in Ihrer Frage).

Da es kein "wir" außerhalb des Gehirns gibt, das entscheiden kann, ob eine bestimmte Region des Gehirns aktiviert wird oder nicht, ist dies keine wirkliche Antwort auf Ihre Frage.

Jetzt könnte Ihre Frage umformuliert werden zu: " Warum ist das Gehirn zu keinem Zeitpunkt zu 100% aktiviert? "

Bei Aktivierung spricht man in der Regel von Aktionspotentialen, die von Neuronen produziert werden. Dies wird als die grundlegende Art und Weise angesehen, wie zwei Neuronen Informationen aneinander übermitteln. Sie können dieses Aktionspotential als Binärcode betrachten (obwohl es wahrscheinlich komplizierter ist, siehe Beispiel Neuromodulation ). In diesem Beispiel ist ein Aktionspotential eine 1 und kein Aktionspotential eine 0. Wenn keine Neuronen feuern, haben Sie nur 0, die keine Informationen an andere Neuronen übermitteln (tatsächlich können Sie dieses Signal auf 0 x die verstrichene Zeit vereinfachen). ). Wenn andererseits alle Neuronen zur gleichen Zeit feuern, übermitteln Sie auch keine Informationen (dies kann durch 1 x die verstrichene Zeit vereinfacht werden). Der einzige Weg, Informationen zu übermitteln, und wie Sie vielleicht verstanden haben, spreche ich von einer InformationstheorieAuf diese Weise wird eine Mischung zwischen Null und 1 erzeugt, was in unserem Beispiel eine Reihe von Aktionspotentialen und keine Aktionspotentiale ist. In Ihrem Beispiel wäre es so, als würden in einer CPU alle Transistoren gleichzeitig aktiviert. Sie haben keine übermittelten Informationen.

Ein anderes Beispiel kann eine Versammlung von Personen in einem Raum sein. Wenn niemand spricht, werden offensichtlich keine Informationen übermittelt. Aber wenn alle gleichzeitig reden, verstehen sie sich nicht.

Im Gehirn kann es in bestimmten Regionen zu einer Aktivierung jedes Neurons kommen. Es heißt Epilepsie, und es ist nicht wirklich funktionell.

Im Gehirn ist also eine 100%ige Aktivierung möglich, aber sie ist rechnerisch nicht effizient, da sie keine Informationen produziert.