信息传输的速度越来越快，我们如今甚至已经习惯了以千兆比特每秒计算的网络速度，习惯了每秒进行数百万次运算的智能设备。但作为这些技术的创造者和使用者，人类大脑的信息处理能力究竟如何？
近期，美国加州理工学院的一项研究对其进行了量化：人类的认知处理速度仅有 10 比特/秒。这似乎是一个极低的数字，每时每刻，人类从其感官接收的数万亿比特信息中，只提取了 10 比特的信息，用这 10 比特的信息来感知世界，然后做出决策。
那么，大脑究竟是如何来过滤这些信息的？研究团队对这一问题尝试作出了解释。
日前，相关前瞻性文章以《无法忍受的存在之缓慢：为什么我们的生活速度只有 10 比特/秒？》（The unbearable slowness of being: Why do we live at 10 bits/s?）为题发表在发表在Neuron
图丨相关论文（来源：Neuron）
研究团队采用信息论的方法，系统性地分析了人类在各种认知任务中的表现。他们收集和研究了近一个世纪以来关于人类认知能力的实验数据，范围涵盖了从基础感知到复杂认知任务的多个领域。结果发现，无论任务类型如何，人类的信息处理速度始终维持在每秒 10 比特左右的水平。
这个数字意味着什么？让我们通过具体例子来理解。在打字测试中，即使是熟练的打字员，每分钟也只能打出 120 个单词。
考虑到英语语言中的信息冗余度，每个字符实际携带的信息量约为 1 比特，这样的打字速度转换为信息处理率正好是 10 比特/秒。
在语音交流方面，英语教学中推荐的演讲速度是每分钟 160 个单词，转换为信息率约为 13 比特/秒，虽然略高于打字速度，但仍在同一数量级内。
图丨人类行为的信息率（来源：Neuron）
有点不符合我们直觉的是，在专注力要求更高的任务中，这个速度也没有太大变化。在盲解魔方比赛中，世界纪录保持者需要 5.5 秒来观察魔方的状态。
考虑到魔方的可能排列数高达 4.3×10¹⁶（约等于 65 比特的信息量），这意味着选手在观察阶段的信息获取速率为 11.8 比特/秒。
即便在记忆相关的比赛中，最顶尖的选手在“5 分钟二进制数字”项目中能记住 1467 个数字，在“速记扑克牌”项目中能在 12.74 秒内记住 52 张牌的顺序，这些看似非常的成就所对应的信息处理速率仍然维持在 5-18 比特/秒的范围内。
这个看似缓慢的认知速度与人类感知系统的输入能力形成了鲜明对比。我们的视觉系统每只眼睛拥有 600 万个视锥细胞，每个细胞可以传输约 270 比特/秒的信息，总输入容量达到惊人的 1.6 吉比特/秒。即使经过视神经的初步处理，信息传输量仍保持在 100 兆比特/秒的水平。这意味着，从感知到认知处理，大脑将信息压缩了约 1 亿倍。
研究者提出了一个重要概念来描述这种压缩：筛选数（Sifting Number）。这个数值等于感知信息率除以行为输出率。举个例子，一只眼睛中有 600 万个视锥细胞，容量约为 1.6Gbits/s。
打字员的大脑从巨大的比特流中筛选出正确执行行为任务所需的 10 位/秒。那么，其压缩数即为 1.6*108。这个巨大的数字反映了大脑中信息处理的基本特征：从海量的感知输入中提取出对行为真正重要的少量信息。
为了解释这种信息压缩机制，研究团队提出了“外脑”和“内脑”的概念模型。“外脑”包括感知和运动系统，负责处理高维度的原始信息。这些系统通常采用并行处理方式，能够同时处理多个信息通道。例如，视觉系统可以同时处理颜色、形状、运动等多个特征。
相比之下，“内脑”系统负责更高层次的认知处理，如决策和行为控制。这个系统采用串行处理方式，一次只能处理一个信息流。这种串行处理可能是由进化历史决定的。
研究者认为，早期生物的神经系统主要用于追踪食物等简单任务，这种任务本质上是串行的：生物在某个位置感知环境，然后决定下一步行动。
这种串行处理模式在进化过程中得以保留，并可能发展成为现代人类大脑的基本工作模式。这解释了为什么我们无法同时进行多个认知任务，即使我们的感知系统能够并行处理大量信息。例如，在听多人同时说话时，我们只能真正理解其中一个人的内容，即便耳朵同时接收了所有人的声音。
研究团队还发现，这种限制似乎是跨物种的普遍现象。即使在果蝇这样的简单生物中，行为输出的信息率也远低于其感知系统的输入率。这进一步支持了这种信息压缩机制可能是神经系统进化过程中的基本特征。
图丨此前相关研究绘制的果蝇大脑图谱（来源：Nature）
从神经科学的角度来看，这种信息压缩可能发生在多个层次。在感知阶段，神经系统就开始进行信息筛选。
例如，视网膜不仅仅是被动地传递光信号，而是会提取视觉场景中的重要特征。这种筛选过程在大脑皮层中继续进行，最终只有极少量但关键的信息被用于行为决策。
这项研究不仅揭示了人类认知处理的基本限制，也为理解大脑的工作原理提供了新的视角。它表明，大脑的核心功能可能不是处理更多的信息，而是更有效地筛选和压缩信息。
换句话说，大脑的真正天才之处在于能够从纷繁复杂的感知信息中，准确提取出对生存和行为真正重要的关键信息。这种认识正在重塑我们对大脑工作机制的理解。
这项研究对脑机接口领域或许也具有重要启示。例如, 马斯克的 Neuralink 公司试图通过植入芯片提高人脑的信息处理带宽, 但研究表明这种努力可能存在根本性限制。因为即使建立了更快的输入通道, 人类认知本身的处理速度仍然可能维持在 10 比特/秒左右。
图丨大脑“速度极限”的艺术呈现（来源：Jieyu Zhang）
不过，团队认为，这个认知速度限制可能并非完全是劣势。在日常生活中, 这个处理速度通常已经足够应对环境变化。但这也解释了为什么年轻人会觉得现实世界"太慢", 而寻求快节奏的视频游戏来获得刺激。
他们建议, 未来需要更多关注“内脑”的工作机制, 尤其是它在有限的处理带宽下实现灵活认知的能力。同时,这些发现也为开发更符合人类认知特点的人工智能系统和辅助技术提供了重要参考。
参考资料：
1.https://www.cell.com/neuron/abstract/S0896-6273(24)00808-0#keywords
2.https://www.independent.co.uk/news/science/human-thought-speed-brain-caltech-pet-scan-b2670198.html
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