“一心不能二用”是真的！Neuron：人类大脑处理速度仅10比特/秒，面对复杂任务容易卡顿

Tags: 脑机接口大脑信息处理作者：梅斯学术更新：5小时前

你是不是常常坐在办公桌前，对着文件发呆半天写不出一个字；话都到嘴边了但突然又忘词；手机拿在手里却想不起原本要做什么？你是否经常感到大脑“转不动”了，仿佛被“脑雾”笼罩，甚至出现“信息过载”或“大脑宕机”的情况？

最新研究揭示了这一现象的根源：我们的感官系统能够以每秒约10亿比特的速度收集信息，但我们大脑的整体信息处理速度却仅为每秒10比特（如果你每分钟能打100个单词，那么你的打字速度大约就是10比特/秒）。这意味着什么呢？如果把信息比作灰尘，感官系统收集信息的速度就像一个超级快的吸尘器，能瞬间吸入大量的灰尘；而大脑处理信息的速度就像一个慢吞吞的筛子，只能一粒一粒地筛选出有用的灰尘。如果把信息比作水滴，感官系统收集信息的速度就像一个巨大的瀑布，每秒有海量的水流下来；而大脑处理信息的速度就像一个滴管，每秒只能滴出一滴水。这种百万倍的差距，解释了为何我们只能“一心一用”，甚至面对复杂任务时感到“卡顿”。但这种巨大的反差在神经科学中一直是一个未解之谜。

那么大脑中究竟是什么限制了我们的行为速度？为何我们需要数十亿神经元来支持如此低速的信息处理能力？文章通过多种实验和理论分析，试图解开这一谜团。近日，美国加州理工学院生物学与生物工程系团队在Neuron（14.7）发表了综述The unbearable slowness of being: Why do we live at 10 bits/s? ，该文通过信息论视角，剖析了大脑的“外脑”与“内脑”分工：外脑（感官与运动）以超高速并行处理海量数据，内脑（认知与决策）却像蜗牛般串行筛选关键信息。这一发现不仅挑战了“多线程思维”的幻想，还为脑机接口、人工智能设计提供了颠覆性启示。

研究方法

信息论方法：文章采用信息论的方法来量化人类行为的信息处理速度。通过测量人类在特定任务中可能执行的动作范围，并区分信号与噪声，计算出信息率（以比特/秒表示）。

实验测量：研究者通过多种实验来测量不同类型行为的信息处理速度，包括打字、说话、阅读、反应时间实验等。实验涉及经典实验室实验和现代电子竞技比赛。

神经生理学测量：文章还回顾了神经生理学中关于神经元信息处理能力的研究，包括视网膜光感受器和动作电位神经元的信息传输能力。

跨物种比较：文章探讨了不同物种的信息处理速度，比较了人类与其他动物（如昆虫）的行为信息处理速度。

理论分析：文章分析了大脑的进化历史，探讨了大脑从控制运动到处理抽象概念的转变，以及这种转变对信息处理速度的影响。

研究结果

人类行为的信息处理速度（表1）：通过多种实验测量，得出人类行为的信息处理速度约为10比特/秒。无论是打字、说话还是其他复杂任务，信息处理速度都保持在这个水平，例如英语听力理解13比特/秒。

表1 人类行为的信息处理速度

感官系统与行为的对比：人类的感官系统（如视网膜）能够以每秒约10亿比特的速度收集信息，但行为输出的信息处理速度仅为每秒10比特。这种巨大的反差被称为“慢速之谜”。

神经元的信息处理能力：单个神经元能够以每秒几个比特的速度传输信息，而大脑中有数十亿神经元。然而，整体行为的信息处理速度仍然受限于每秒10比特。

进化历史的影响：文章提出，大脑最初是为了控制运动而进化，这种进化历史可能导致了大脑在处理信息时的串行模式，限制了多任务处理能力。（如同时听多对话或并行思考多棋局是不可行的）。

外脑与内脑的差异：文章提出大脑可能存在“外脑”和“内脑”两种模式。“外脑”处理高维度的感官和运动信号，而“内脑”则处理低维度的、与行为直接相关的少量信息。

可见大脑并非算力不足，而是进化塑造了“外脑-内脑”分工。外脑以超高速过滤环境信息，内脑则聚焦关键决策，但受限于串行处理。或许未来脑机接口无需追求千兆传输，只需传递10比特/秒的关键指令（如语音控制）。AI设计也可模仿“外脑”高效压缩与“内脑”灵活决策的结合机制。

虽然我们活在“10比特/秒”的认知带宽中，但可能这恰是自然选择的最优解——足够应对生存，却也让人类在机器时代显得“缓慢而深刻”。

参考资料：

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2024.11.008

来源：MedSci原创

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