Сколько человеческий мозг генерирует электрических импульсов
Если опереться на современные оценки числа нейронов и средних частот их разряда, мозг взрослого человека в сумме генерирует порядка ~1×10¹⁵ электрических импульсов (спайков) в сутки — то есть около одного квадриллиона. Реалистичный «вилочный» диапазон с учётом вариабельности средней частоты — примерно от 7×10¹⁴ до 1.5×10¹⁶ спайков в день. Это оценка порядка величины, а не «точное число», и она зависит от состояния (сон/бодрствование), участка мозга и индивидуальных различий. Основания и расчёт — ниже.
Что именно мы считаем
Под «электрическими импульсами» имеем в виду потенциалы действия (action potentials, или «спайки») — краткие электрические разряды, которыми нейроны обмениваются информацией. Чтобы прикинуть суммарное число спайков за сутки, нужны две опоры:
Сколько в мозге нейронов. Самая цитируемая сегодня работа (метод «изотропного фракционатора») показывает, что у человека ~86 млрд нейронов. Причём львиная доля нейронов (~80%) сосредоточена в мозжечке, тогда как кора — основная доля массы — содержит лишь ~19% всех нейронов.
С какой средней частотой они стреляют. Из-за энергетических ограничений средняя частота разряда очень низкая: метаболические оценки для неокортекса дают ~0.16 спайка/с на нейрон, а работы по «стоимости кортикального вычисления» и энергетическому бюджету мозга указывают, что средние частоты вряд ли могут быть существенно выше ~1 спайка/с в массовом масштабе.
Как получается «квадриллион в день»: пошаговый расчёт
Число нейронов: N ≈ 8.6×10¹⁰.
Средняя частота разряда (разумная базовая точка): r ≈ 0.16 сп/с (для коры; как оценка средней по мозгу это даёт правильный порядок величины).
Спайков в секунду во всём мозге: N × r ≈ 1.376×10¹⁰ сп/с.
Секунд в сутках: 86 400.
Итого за сутки: ≈ 1.38×10¹⁰ × 86 400 ≈ 1.19×10¹⁵ спайков/сутки (≈ 1.2 квадриллиона).
Чтобы отразить разброс, возьмём диапазон средней частоты 0.1–2 сп/с (верхняя граница — скорее теоретический предел среднего, учитывая энергетику; практическая средняя для всего мозга обычно заметно ниже 1 сп/с).
Тогда получаем ≈ 7.4×10¹⁴ – 1.49×10¹⁶ спайков/сутки.
Почему средняя частота такая низкая (и почему это важно)
Мозг потребляет много энергии для сигнализации (прежде всего для восстановления ионных градиентов после спайков). Классические оценки энергетического бюджета серого вещества показывают, что значительная доля энергии уходит на потенциалы действия и синаптическую передачу, поэтому массово «стрелять» часто — слишком дорого. Отсюда вывод: на уровне популяции нейронов средние частоты малы, а активные ансамбли разрежены.
Дополнительные энергетические обзоры и обновления последних лет подтверждают эту картину: мозг в среднем «работает» примерно на 20 Вт (около 20% энергии тела в покое), и даже при сложных задачах относительный прирост локального метаболизма невелик. Это обеспечивает контекст для низких средних частот по всему мозгу.
Вариабельность: разные зоны, состояния и задачи
Региональная разница. Отдельные типы нейронов могут временно «стрелять» очень быстро (десятки–сотни Гц), но это не средняя частота по мозгу; например, быстрые интернейроны способны к сотням Гц в отдельных режимах. Массовый средний показатель остаётся на порядки ниже. PMC
Сон и бодрствование. Фоновая активность и «дрейф» частот на покое, а также фазовые сдвиги во сне/бодрствовании влияют на моментальные средние, но не меняют порядок величины суточной суммы.
Патология. При эпилептических приступах локальные частоты резко возрастают — хороший пример того, почему глобальные оценки нужно понимать как «норму покоя/обычной деятельности».
Не путать импульсы со «сколько мыслей в день»
Иногда в сети встречается цифра «60 000 мыслей в день» — это миф, не имеющий строгого научного источника. Более аккуратные нейровизуализационные работы 2020 г. предложили метод отслеживания переходов между мыслями («thought worms») и в популярной прессе это часто пересказывали как ~6 000 мыслей в день. Важно: число мыслей — это совсем другая величина, не равная числу спайков. Один «переход мысли» соответствует крупномасштабной перестройке сетевой активности, за которой стоит огромное, но не фиксированное число нейронных импульсов.
Выводы
Порядок величины суточного числа электрических импульсов, генерируемых человеческим мозгом, — около 10¹⁵ спайков/сутки.
Такой результат естественно следует из сочетания: ~86 млрд нейронов × средняя частота порядка десятых долей Герца × 86 400 с/сутки.
Более широкий, но реалистичный диапазон (учитывая состояние и индивидуальные различия) — ≈7×10¹⁴–1.5×10¹⁶ спайков/сутки, причём верхняя граница — скорее теоретический потолок среднего из-за энергетических ограничений.
Источники и дальнейшее чтение
Azevedo et al. (2009): ≈86 млрд нейронов в человеческом мозге.
Lennie (2003): Стоимость кортикального вычисления, ограничения средней частоты разряда.
Attwell & Laughlin (2001): Энергетический бюджет сигнальной активности в сером веществе.
AI Impacts (обзор с расчётами): метаболические оценки средней частоты ~0.16 Гц и обоснование «<1 Гц» для массового среднего.
Hyder et al. (2013): оценки, что человеческие кортикальные частоты ниже, чем у грызунов (метаболические данные).
Об энергопотреблении мозга (~20 Вт): популярные и научные обзоры.
Про «мысли в день» и «thought worms»: оригинальная статья Nature Communications (2020) и разбор мифа «60 000 мыслей».
Примечание об оценке
Точное «количество импульсов в день» для конкретного человека невозможно назвать — это агрегированная оценка порядка величины, основанная на валидных средних показателях из литературы и отражающая физические ограничения энергетического бюджета мозга.